Рататуй. Навчальний посібник для студентів, що навчаються у вищих навчальних закладах іii1V рівнів акредитації за напрямом Ветеринарна медицина
 Скачать 5.29 Mb.
|
|
Ліпіди. У клітині міститься звичайно до 10%ліпідів.Однак в окремих груп мікроорганізмів (мікобактерії, рикетсії) ця частка збільшується до 40%. У грамнегативних бактерій в зв'язку з особливостями будови клітинної стінки їх у 2-5 разів більше, ніж у грампозитивних. У середньому в клітині є біля 20 млн. молекул різноманітних ліпідів. Представлено їх, в основному, насиченими й ненасиченими жирними кислотами, ефірами жирних кислот і гліцерину, восками, фосфоліпідами. Більшість ліпідів знаходяться у складі клітинної стінки та цитоплазматичної мембрани мікробної клітини. Вони зумовлюють захисні властивості клітини (кислотостійкість), її токсичні функції, беруть участь у метаболізмі. Важливою складовою частиною будь-якої мікробної клітини є мінеральні елементи. Вони входять до складу вітамінів, ферментів, білків і можуть знаходитись у вільному стані в цитоплазмі. Без них не обходяться біохімічні реакції. Загальна їх кількість у мікробах може досягати 2-4 % сухого залишку. Зокрема, сірка і фосфор, їх похідні за рахунок здатності утворювати макроергічні (багаті на енергію) зв'язки 81 постачають клітину енергією. Калій і натрій, необхідні для нормальної життєдіяльності бактерій, забезпечують функціонування натріє- калієвого насосу. Магній і кальцій здатні активувати багато ферментів; залізо – невід'ємний складник цитохромів. Кількість різних хімічних елементів у мікробіологічній клітині відносно стабільна, проте залежить також і від вмісту їх у середовищі, в якому вони ростуть і розвиваються. 5.2.Ферменти мікроорганізмів Всі процеси, що відбуваються в мікробних клітинах, відбуваються за участю ферментів (ензимів) — біологічних каталізаторів. Ферменти беруть участь у розщепленні та синтезі речовин. Вони специфічні, тобто виявляють свою активність щодо певних сполук, нестійкі до впливу несприятливих «зовнішніх» факторів: руйнуються при температурі 60 °С, а також під дією лугів, кислот, солей важких металів тощо. Розрізняють ендоферменти та екзоферменти. Перші міцно зв'язані з цитоплазмою і здійснюють перетворення поживних речовин у складі частини клітини. Другі виділяються в живильне середовище, розчиняються в ньому, проходять через бактеріальні фільтри, розкладають складні сполуки на прості. Останні є пластичним матеріалом для будови тіла мікробної клітини. Ферменти в основному білкові комплекси, що мають велику молекулярну масу (від 10000 до кількох мільйонів Д). Ферменти бувають одно- і двокомпонентними. До складу останніх входять білок- носій і простетична, або активна, група. Білковий носій називається апоферментом, активна група — коферментом. Власне ні білкова, ні 82 простетична група не мають ферментативної активності і тільки разом вони набувають її. Каталітичну дію ферментів визначають надзвичайно малі їх кількості: 1 г амілази може розщепити 1т крохмалю, а 1г хімозину може зумовити зсідання 12 т молока; 1 г пепсину здатний розщепити 50 кг коагульованого білка, 1молекула каталази при 40 °С за 1 с руйнує 550 тис. молекул пероксиду водню. Ферменти діють при певному рН: пепсин активний тільки в кислому середовищі (рН 1,5—2,5), трипсин — слабко-лужному (рН 7,8—8,7), каталаза і уреаза — нейтральному (рН 7,0). Деякі ферменти знаходяться у мікробній клітині постійно. Це так звані конструктивні ферменти. Інші з’являються лише тоді коли є відповідний субстрат, їх називають адаптивними (індукованими) ферментами. Більшість мікробних ферментів є конструктивними, тобто постійно присутні у певного виду мікроорганізмів, незалежно від середовища у якому вони перебувають. Завдяки цьому, зокрема, ферментативну здатність мікроорганізму широко використовують під час його ідентифікації (розпізнання). Ферменти не змінюються до кінця реакції, не входять до складу кінцевих продуктів. Вони не токсичні. Ця важлива властивість має велике значення для багатьох галузей народного господарства, особливо харчової промисловості і медицини. На сьогодні відомо близько 2000 ферментів, які за класифікацією, розробленою Міжнародним біохімічним товариством (1961), об'єднані в шість класів: оксидоредуктази, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази, лігази, або синтетази. 1. Оксидоредуктази – окислювально-відновні ферменти, що прискорюють процеси окислення і відновлення різних сполук, беруть 83 участь у процесах дихання мікробів. Ця група включає більше 200 ферментів. Наприклад, дегідрогенази — ферменти, що обумовлюють процес біологічного окислення шляхом відняття водню від субстрату донора і приєднання його до кисню або іншого акцептора. Розрізняють аеробні і анаеробні дегідрогенази. Аеробні дегідрогенази переносять водень безпосередньо до молекулярного кисню або інших систем, їх називають оксидазами (аеробіоз). Анаеробні дегідрогенази взаємодіють із субстратом, віднімають від нього водень і передають акцептору – ненасиченим речовинам. У результаті утворюються органічні кислоти і спирти (анаеробіоз). 2. Трансферази — ферменти переносу. Вони переносять окремі групи, радикали і атоми як між окремими молекулами, так і всередині них (метильні, карбоксильні та ін.). Представниками цього класу є амінотрансферази, фосфотрансферази та ін. Амінотрансферази переносять аміногрупу з однієї амінокислоти на іншу, фосфотрансферази — фосфатний залишок з АТФ на глюкозу і фруктозу. 3. Гідролази — ферменти, що прискорюють гідроліз — реакцію обмінного розкладу між водою і різними сполуками. Вони є у багатьох мікроорганізмів. Гідролази об'єднують більше 200 ферментів. У цю групу входять естерази, фосфатази, глюкозидази, що відповідно розщеплюють складні ефіри, глюкозидні зв'язки у вуглеводах та їх похідних; пептидази, що прискорюють гідроліз пептидних зв'язків у білках; амідази, які регулюють гідроліз амідів, амінокислот та інших сполук. 4. Ліази – ферменти, що негідролітичним шляхом відщеплюють від субстратів яку-небудь групу (реакція між вуглецем і киснем, азотом, сіркою, галогеном). Цей клас ензимів об'єднує близько 90 84 ферментів. Найважливіше значення з них мають карбоксилаза, альдегід-ліаза (альдолаза) та ін. 5. Ізомерази — ферменти, які каталізують реакції ізомеризації — переміщення всередині молекул водню, фосфору, що має важливе значення в обміні речовин. До цієї групи відносяться фосфорогексоізомераза, тріозофосфорізомераза та ін. 6. Лігази, або синтетази – ферменти, що прискорюють синтез складних сполук за рахунок розпаду пірофосфорних зв'язків у АТФ або інших багатих на енергію пірофосфатів. Лігази беруть участь у синтезі білків, нуклеїнових, жирних кислот та інших речовин. Ферменти мікробного походження широко застосовують у харчовій промисловості, сільському господарстві, особливо тваринництві, медицині, а також інших галузях народного господарства. Наприклад, амілази використовуються при ферментативному одержанні глюкози з крохмалю, глюкозної та мальтозної патоки, в спиртовій, пивоварній та хлібопекарській промисловості, ветеринарній медицині. РЕСТРИКТАЗИ? 5.3. Живлення мікроорганізмів Обмін речовин у мікроорганізмів представлений процесами, відомими як асиміляція та дисиміляція. Сукупність усіх біохімічних перетворень у клітині називається метаболізмом. Він відбувається за двома основними напрямками. Перший забезпечує синтез складних клітинних сполук із більш простих. Тому одержав назвубіосинтез, конструктивний метаболізм, або анаболізм.Оскільки переважна більшість реакцій синтезу й розпаду потребує енергетичного забезпечення, у мікробній клітині 85 існує механізм її накопичення і використання. Цей механізм реалізується через потік реакцій, що супроводжуються накопиченням електрохімічної енергії, яка потім використовується клітиною і називається енергетичним метаболізмом або катаболізмом. Конструктивний та енергетичний метаболізм – тісно пов'язаний між собою комплекс перетворень. Часто їх шляхи співпадають і одні й ті ж речовини використовуються для різних потреб. У цьому випадку такі субстрати називаються амфіболітами,а шляхи - амфіболічними. Метаболічні цикли мікробів надзвичайно різноманітні. Вони здатні використовувати різні види енергії й численні вихідні субстрати для побудови власних структур. Саме цим зумовлюється убіквітарність їх розповсюдження. Конструктивний метаболізм прокаріотів. Для того, щоб клітина могла існувати, повинен відбуватись постійний обмін речовин із навколишнім середовищем. У клітину ззовні мусить надходити пластичний матеріал, з якого вона синтезує всі необхідні їй молекули. У конструктивному метаболізмі провідна роль належить сполукам вуглецю, з якого побудовано всі живі організми. Залежно від того, який вуглець засвоюють бактерії, вони поділяються на дві групи: автотрофи і гетеротрофи. Автотрофи(autos - сам, trophe - живлення) здатні синтезувати всі необхідні їм органічні сполуки з СО 2 як єдиного джерела вуглецю. Гетеротрофи(heteros - інший) - мікроорганізми, джерелом вуглецю для яких є органічні сполуки. Вони здатні споживати будь- які прості й складні вуглецеві сполуки - цукри, амінокислоти, багатоатомні спирти, парафіни та ін. 86 Більшість мікроорганізмів здатні асимілювати живильні компоненти авітального походження. Їх прийнято називати метатрофами. Це переважно сапрофіти – мікроорганізми, які не здатні обумовити хворобу. Проте частина гетеротрофів може існувати паразитуючи на інших живих істотах. Їх називають паратрофами. Ступінь вираження гетеротрофії у бактерій може бути найрізноманітніша. Найвищу гетеротрофність мають прокаріотичні організми, які здатні жити тільки всередині живих клітин (рикетсії, хламідії), їх метаболічні шляхи повністю залежать від організму хазяїна. Такі мікроорганізми називають облігатними (суворими) паразитами. Однак багато мікробів можна вирощувати на штучних живильних середовищах, до складу яких входять білки, пептиди, вітаміни, фрагменти нуклеїнових кислот. Такі форми бактерій, здатних рости поза клітинами людини або тварин при створенні необхідних умов, називають факультативними паразитами. Більшість бактерій, що населяють земну кулю (понад 99 %), належать до сапрофітів. Вони безпосередньо від живих організмів не залежать і живляться за рахунок мертвих органічних залишків. Мікроорганізмам необхідний азот для синтезу азотомістких сполук. Джерела його можуть бути різноманітними. Одні бактерії здатні за- своювати молекулярний азот повітря (бульбочкові мікроби), інші використовують різноманітні субстрати. Бактерії, як правило, засвоюють азот у відновленій формі - це солі амонію, сечовини, органічні сполуки (амінокислоти, пептиди). Однак окислені форми азотистих сполук (нітрати) також можуть бути засвоєні мікробами. У 87 клітині вони відновлюються до аміаку за допомогою ферментів нітратредуктази й нітритредуктази. Дикі штами бактерій здатні синтезувати всі необхідні їм речовини з обмеженого числа органічних сполук, наприклад, глюкози та солей амонію. Вони називаються прототрофами.Окремі мікроорганізми (варіанти прототрофів) втратили здатність до синтезу деяких необхідних їм ростових факторів, отже, не можуть рости на мінімальних живильних середовищах, їх називають ауксотрофними організмами. Процес живлення потребує використання енергії. Залежно від джерела енергії, що засвоюють мікробні клітини, їх поділяють на фототрофи і хемотрофи. Фототрофні бактеріїі ( фотосинтезуючі бактерії ) здатні використовувати як джерело енергії електромагнітні промені (світло). Патогенних для людини і тварин серед них не виявлено. Інші прокаріоти, які одержують енергію за рахунок окисно-відновних реакцій в субстратах, називаються хемотрофами. Для здійснення різноманітних реакцій клітині необхідні електрони. Речовини, які в процесах біохімічних перетворень віддають електрони, називаються донорами. Молекули, які одержують електрони, називаються акцепторами. Мікроорганізми, для яких джерелом електронів є неорганічні сполуки типу Н 2 , H 2 S, NH 3 , СО та ін., називаються літотрофами (гр. litos - камінь). Інші бактерії, для яких донором електронів виступають органічні речовини, називаються органотрофами. Залежно від способу одержання енергії та донора електронів мікроорганізми поділяють на чотири групи: фотолітотрофи. фотоорганотрофи, хемолітотрофи та хемоорганотрофи. 88 Для здійснення своїх метаболічних перетворень і забезпечення життєдіяльності клітина потребує і неорганічних речовин. Так, сірка входить до складу деяких амінокислот (метионін, цистеїн), вітамінів та кофакторів (біотин, ліпоєва кислота, кофермент А), а без фосфору неможливо синтезувати нуклеїнові кислоти, він необхідний компонент фосфоліпідів, коферментів. Мікроорганізми засвоюють сірку з природних джерел, де вона знаходиться у формі неорганічних солей (сульфатів, сульфідів) або елементарної сірки, а потреби у фосфорі задовольняються за рахунок засвоєння неорганічних фосфатів. Усі необхідні іони металів клітина одержує за рахунок неорганічних сполук. Деякі елементи (магній, кальцій, калій, залізо) потрібні в досить великих концентраціях. Потреби в інших (цинк, марганець, молібден, ванадій, кобальт) незначні. Проте їх роль у клітині надзвичайно різноманітна, тому що вони входять до складу основних клітинних метаболітів, виконуючи життєво важливі функції. При культивуванні бактерій, крім білків, жирів та вуглеводів, які потрапляють у клітину з навколишнього середовища, до живильних середовищ додають речовини, які виконують функцію стимуляторів росту. Вони включаються до складу клітинних метаболітів, каталізують біохімічні перетворення. Такими факторами є деякі вітаміни (біотин, тиамін, пантотенова кислота, холін, ціанокобаламін, нікотинова та фолієва кислоти), пуринові та піримідинові основи, жирні кислоти, гемін, коензим ферменту дегідрогенази. Механізм надходження речовин у клітину. Мікробам притаманний голофітнийтип живлення, вони здатні поглинати живильні речовини тільки в розчиненому вигляді. 89 Однак деякі субстрати не розчиняються у воді (білки, полісахариди) або утворюють колоїдні розчини, які не проникають у клітину. В такому випадку клітинні екзоферменти, які виділяються в навколишнє середовище, гідролізують ці субстанції, розщеплюючи їх до більш простих і дрібних молекул і переводять в розчинний стан. Виділяють декілька механізмів проникнення речовин. Поживні речовини надходять в середину мікробної клітини, проходячи через її навпроникну клітинну стінку та цитоплазматичну мембрану. Остання є основним елементом клітини через яку трансформуються живильні речовини та виводяться продукти життєдіяльності. Механізм надходження поживних речовин у клітину пов’язані з осмотичним тиском всередині клітини та поза нею. У зв’язку з різницею концентрації поживних речовин відбувається рух води і розчинених у ній речовин. При цьому вода рухається у бік більш високої, а солі – навпаки, - меншої їх концентрації. Цей механізм надходження живильних речовин у мікробну клітину зветься пасивною дифузією (неспецифічне проникнення речовин в клітину). Вона відбувається пасивно, тому що не вимагає затрат енергії. Полегшена дифузіяздійснюється за рахунок особливих білків - пермеаз, які містяться в цитоплазматичній мембрані. Цей процес також не вимагає енергетичного забезпечення. Однак більшість поживних речовин, метаболітів, іонів проникають у клітину за допомогою активного транспорту. Його також забезпечують білки- пермеази, але вони є високо-специфічними й здатні переносити тільки певні субстрати. Цей процес відбувається за рахунок енергії, яку генерує клітина, тому можливий перенос і проти градієнта концентрації речовини. Якщо цьому процесу передує певна хімічна модифікація молекули, його називають транслокацією хімічних груп. 90 Виділяють також механізм іонного транспорту, при якому відбувається перенос у клітину окремих неорганічних іонів. Конструктивний метаболізм. Обмін білків у мікроорганізмів відбувається за двома основними напрямками: розщеплення поліпептидів до амінокислот і біосинтетичні процеси, пов'язані з конструюванням нових молекул. Перший напрямок забезпечують ферменти екзопротеази, що виділяються в навколишнє середовище, та ендопротеази, які нагромаджуються в клітині. Кінцеві продукти - амінокислоти, що утворюються під час цього процесу, можуть зазнавати дезамінування та декарбоксилювання, перетворюючись на аміак, вуглекислий газ, оксикислоти. Біосинтетичні процеси відбуваються за участю переважно готових амінокислот. Деякі мікроорганізми здатні синтезувати амінокислоти з простих сполук азоту. Необхідно зазначити, що мікроорганізми, на відміну від клітин організму людини і тварин, здатні синтезувати незамінні амінокислоти - лізин, метионін, триптофан. Вуглеводний обмін забезпечується або гідролітичним розщепленням молекул із утворенням глюкози й мальтози, або фосфоролізом. І в одному, і в іншому випадках процеси не супроводжуються вивільненням енергії. Це відбувається при бродінні - окисновідновних реакціях анаеробного розщеплення органічних речовин, головним чином, вуглеводів. Метаболіти, які утворюються під час бродіння, використовуються для біосинтетичних процесів. Продуктами бродіння є різні органічні кислоти (молочна, масляна, оцтова, мурашина), спирти (етиловий, бутиловий, пропіловий), ацетон, диоксид вуглецю, водень. Залежно від того, який основний продукт накопичується в середовищі, розрізняють молочнокисле, 91 маслянокисле, мурашинокисле, спиртове та інші види бродіння. При бродінні вивільняється незначна частка енергії, яка накопичена в речовині. Як правило, на 1 молекулу субстрату утворюється 2 молекули аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Синтез вуглеводів відбувається або з вуглекислого газу (автотрофи), або за рахунок вуглецемістких органічних сполук. Як було зазначено, ліпіди мікроорганізмів представлено насиченими та ненасиченими жирними кислотами, фосфоліпідами, стеринами, восками, каротиноїдами та іншими речовинами. Мікроорганізми здатні до синтезу вищих жирних кислот, який відбувається за участю особливих білків, що переносять ацильні фрагменти. Синтезовані ліпіди включаються до складу фосфоліпідів. Розщеплення ліпідів відбувається за участю ліпаз та інших ліполітичних ферментів. Енергетичний метаболізм прокаріотів. За своїм об'ємом реакції, що забезпечують клітину внутрішньою енергією, значно перевищують біосинтетичні процеси. Мікроорганізми можуть використовувати не всі форми енергії, що існують у природі. Вони здатні користуватись тільки енергією сонячного світла (фотосинтезуючі бактерії) та хімічною (хемотрофні мікроби). Недоступні для них ядерна, механічна та теплова енергії. Явище нагромадження енергії розглядається як перенос іонів водню шляхом окремого транспорту протонів та електронів; протони при цьому виділяються в навколишнє середовище, а електрони передаються на відповідні молекули-акцептори. В процесі еволюції бактерії виробили три способи одержання енергії: бродіння, дихання і фотосинтез. 92 При бродінні в анаеробних умовах у певних окислювально- відновних реакціях утворюються нестабільні молекули, фосфатна група яких містить багато вільної енергії. Вона переноситься на молекулу аденозиндифосфорної кислоти (АДФ), яка перетворюється в АТФ. Реакції, в яких енергія запасається на АТФ, одержали назву субстратного фосфорилювання. Відновлювач, який при цьому утворюється (НАД Н 2 , відновлений фередоксин), переносить електрони на ендогенний акцептор (піруват, ацетальдегід) або звільняється у вигляді водню. Окислення відбувається внаслідок переносу електронів через спеціальний електроннотранспортний ланцюг, локалізований на мембрані. Він складається з набору переносників і здебільшого спричиняє відновлення молекулярного кисню до Н 2 О. Основою фотосинтетичних процесів у представників мікробного світу є поглинання сонячної енергії різними пігментами: флавопротеїнами, хінонами, цитохромами і білками, що містять негемове залізо. Вони й забезпечують перенос електронів і, відповідно, вивільнення енергії. Енергія, яку генерує клітина, запасається у формі електрохімічного трансмембранного градієнта іонів водню - Дцн + або в молекулах АТФ. Прокаріоти містять декілька сполук із високоенергетичними фосфатними зв'язками - ацилфосфати, фосфоенолпіруват, аденозинфос-фосульфат, а також сполуки з тіоефірним зв'язком - ацилтіоефіри. У цих речовинах одна з груп має великий енергетичний потенціал. Перенос її веде до розриву зв'язку, з'єднуючого з молекулою, отже, до різкого зменшення вільної енергії, накопиченої в клітині. Приєднання такої групи до молекули акцептора підвищує 93 рівень його вільної енергії, переводячи молекулу в активовану форму, що здатна брати участь у біосинтетичних реакціях. Найголовніше місце в переносі хімічної енергії належить системі АТФ. Вона утворюється при субстратному та мембранозалежному фосфорилюванні. При цьому від субстрату відщеплюється фосфатна група і переноситься на молекулу АДФ. Вона містить два макроергічних зв'язки, які при гідролізі звільняють 31,8 кДж/моль енергії. Молекули АТФ вважають енергетичною валютою клітини, а малі розміри дозволяють їм легко дифундувати в ті ділянки клітини, де необхідна енергія. Підраховано, що для подвоєння клітинної маси молекула АТФ повинна біля 10000 разів брати участь у процесах гідролізу й синтезу. На прикладіЕ. соlі визначено, скільки необхідно енергії, щоб синтезувався 1 г клітинної речовини. Це потребує 37 ммоль АТФ, із них 20 ммоль використовується на синтез білка, 7 ммоль - на синтез ДНК і РНК, 2 ммоль - для полімеризації цукрів. Решта іде на підтримання життєдіяльності - осмос, рух клітини тощо. Іншою універсальною клітинною енергією є енергія трансмембранного потенціалу Дцн + . Це здійснюється за допомогою спеціальної "петлі", локалізованої в цитоплазматичній мембрані. Переносники хінони забезпечують рух двох атомів водню від внутрішньої сторони ЦПМ назовні. Потім цитохроми повертають у клітину два електрони, а протони вивільняються в зовнішнє середовище. При такому переносі в зовнішнє середовище клітини накопичують іони водню, середовище підкислюється, а в цитоплазмі їх число зменшується, і вона набуває більш лужного характеру. Виникає орієнтований поперек ЦПМ градієнт іонів водню. Оскільки 94 Н + - хімічні частинки з позитивним зарядом, то їх накопичення з обох сторін ЦПМ викликає створення не тільки концентраційного градієнта часток, але й орієнтованого поперек мембрани електричного поля. Напруга потенціалу Дцн + досягає 200-250 мВ. Енергія трансмембранного потенціалу може розряджатись за участю локалізованого в мембрані протонного АТФ-синтетазного комплексу. Це створює можливість з АДФ та неорганічного фосфату без будь-яких проміжних сполук утворити молекули АТФ. Однак процес може проходити і в протилежному напрямку. Тоді при гідро- лізі АТФ зростає енергія Дцн+на ЦПМ. Таким чином, дані реакції є природними механізмами, які з'єднують процеси окислення з фосфорилюванням. Енергія, яка накопичується на мембрані, та енергія АТФ забезпечують різні потреби клітини. Перша поглинається ДНК при генетичній трансформації, зумовлює рух бактерій за допомогою джгутиків, забезпечує активний перенос речовин та іонів через мембрану, а енергія АТФ - синтетичні процеси в клітині. Але ні енергія ∆µн + , ні АТФ не можуть нагромаджуватись і зберігатись в клітині достатньо довгий строк, адже тривалість життя молекули АТФ всього 1/3 с. Для консервування енергії прокаріоти створили механізм синтезу високополімерних молекул, полісахаридів, ліпідів або поліпептидів. Ці речовини упаковуються в спеціальні гранули, вкриваються оболонкою і зберігаються в неактивному стані. |