Как бактерии получают энергию

Donnerstag, 11. Oktober 2012

Как бактерии получают энергию?

Микроскопические организмы, как "полезные бактерии" поддерживать в нашем кишечнике и помогают улучшить наше здоровье. Патогенные бактерии атакуют наш организм и вызывать инфекции и болезни. Как бактерии выполняют свои функции идеально? Как бактерии получают энергию? Каковы источники питания для дружественных и болезнетворных бактерий? Вот краткий обзор источников энергии для бактерий.

Бактерии это одноклеточные микроскопические организмы, и они присутствуют везде, во всех типах среды. Там существуют различные виды бактерий, и они классифицируются по-разному. Например, они могут быть классифицированы в зависимости от их формы или по типам они принадлежат. В зависимости от пути роста и размножения, бактерии делятся на автотрофные и гетеротрофные бактерии. Некоторые бактерии нуждаются в кислороде для их выживания, а некоторые нет. Исходя из этого, бактерии делятся на аэробные и анаэробные бактерии. Таким образом, ясно, что различные виды бактерий получают энергию по-разному. Давайте посмотрим, как бактерии получают энергию, чтобы выполнять свои функции.

Источники энергии для бактерий

Как бактерии живых организмов, ясно, что они получают вещества, необходимые для производства энергии и для сотовых биосинтеза из окружающей среды, в которой они процветают. Основными веществами переходит в и из бактериальных клеточных мембран. Бактерии получить пищу из окружающей среды, и может привести к поломке пищу. Различные бактерии получать питание по-разному.

Эти микроорганизмы, которые синтезируют свою органическую пищу. Эти бактерии используют неорганические вещества, чтобы произвести их органических продуктов питания. Они получают углерод из углекислого газа, и они используют водород, получаемый из сероводорода (H2S), аммиака (NH3) и водород (H2). Автотрофных бактерий делятся на фототрофов и chemotrophs (lithotrophs, organotrophs).

Фототрофов: Эти бактерии фотосинтеза пигменты под названием «бактериохлорофилла (как хлорофилла в растениях) в мембранах. Они использовать солнечный свет для приготовления пищи и получения энергии. Они не выделяют кислород в процессе фотосинтеза (растения делают). Цианобактерии, зеленых серных бактерий, Chloroflexi или пурпурные бактерии являются примерами photrophs.

Lithotrophs: неорганические соединения являются основным источником энергии для lithotrophs. Эти бактерии получают питательные вещества (неорганические соединения) из минералов в горных породах. Бактерии состоят из углерода, кислорода, азота, водорода и фосфора. Они также состоят из следов других элементов. Таким образом, они должны получить эти питательные вещества из окружающей среды для выживания. Lithotrophs получить большинство из них питательные вещества из почвы. Неорганические соединения, как сероводород, элементарную серу, аммиак и трехвалентного железа окисляются lithotrophs для получения энергии. Нитрифицирующие бактерии (Nitrosomonas, Nitrobacter) получают энергию за счет окисления аммиака в нитраты. Серных бактерий (Thiobacillus, Beggiatoa) выигрыш в энергии за счет окисления сероводорода в серу. Окисление ионов двухвалентного железа в форме дает энергию железо бактерии (Ferrobacillus, СаШопеИа). Но lithotrophs не получают углерод из минералов в горных породах. Некоторые lithotrophs получать углерод из воздуха, а некоторые получают ее от органических веществ.

Organotrophs: Эти бактерии получают питательные вещества и получения энергии из органических соединений. Для выживания, они потребляют автотрофные и гетеротрофные организмы, молоко, мясо, и разлагающихся материалов (остается). Патогенные бактерии принадлежат к этой группе. Они живут в организме животных и растений, а также получить их органических продуктов питания оттуда. Bacillus, Clostridium или Enterobacteriaceae являются примерами organotrophs.

Эти бактерии потребляют пищу, которая уже присутствует в окружающей среде. Это означает, что они не способны синтезировать свои экологически чистые продукты. В автотрофных бактерий, клеточных углерода получены путем фиксации углекислого газа. В гетеротрофных бактерий, органических соединений углерода обеспечивают углерода для бактерий. Они включают в себя паразитические виды бактерий.

Сапрофитные бактерии: Эти бактерии, которые получают питательные вещества из мертвого органического вещества. Экзогенные ферменты, выделяемые этими бактериями способствовать распада сложных органических веществ в легко рассасывающиеся (растворимый) форме. Таким образом, они поглощают питательные вещества, которые помогают генерировать энергию. Эти бактерии рассматриваются как дружественные бактерии, как они играют важную роль в экосистеме, работая в качестве разрушителей.

Аэробных и анаэробных бактерий: бактерии могут разлагать органические вещества, и это свойство используется в пищевой промышленности для созревания сыра, в ослабление волокон, в лечении табачной и др. аэробных распада органического вещества называют распада или разложения. Анаэробного распада органического вещества называются брожением. Вы можете прочитать эту статью о аэробных против анаэробных бактерий, для получения дополнительной информации.

Я надеюсь, вы получили ответ на вопрос о том, как бактерии получают энергию. Изучение бактерий известен как бактериологии. Если вы заинтересованы в изучении бактерий, вы можете выбрать для микробиологии окончания, а затем специализацию, вы можете выбрать бактериологии.

К настоящему времени описано около десяти тысяч видов бактерий и предполагается, что их существует свыше миллиона, однако само применение понятия вида к бактериям сопряжено с рядом трудностей.

Изучением бактерий занимается раздел микробиологии — бактериология.

Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью.

Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии – секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится "на голодном пайке", поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.

Питание. Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами.

Автотрофы ("сами себя питающие") не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO2). Включая CO2 и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH3), нитраты (NO-3) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты.

Гетеротрофы ("питающиеся другим") используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO2) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство прокариот, сходны с человеком.

Главные источники энергии. Если для образования (синтеза) клеточных компонентов используется в основном световая энергия (фотоны), то процесс называется фотосинтезом, а способные к нему виды – фототрофами.

Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от того, какие соединения – органические или неорганические – служат для них главным источником углерода.

Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H2O). При этом выделяется свободный кислород (1/2O2) и образуется водород (2H+), который, можно сказать, превращает диоксид углерода (CO2) в углеводы. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H2S). В результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным.

Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют световую энергию для получения водорода из органических веществ, в частности изопропанола, но его источником у них может служить и газообразный H2. Если основной источник энергии в клетке – окисление химических веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода – органические или неорганические. У первых органика дает как энергию, так и углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ, например водорода (до воды: 2H4 + O2 в 2H2O), железа (Fe2+ в Fe3+) или серы (2S + 3O2 + 2H2O в 2SO42- + 4H+), а углерод – из СO2. Эти организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они "питаются" горными породами.

Все процессы жизнедеятельности микроорганизмов протекают с затратой энергии, поэтому наличие энергии в клетке абсолютно необходимо.

Микроорганизмы могут использовать два вида энергии: энергию видимого света и химическую энергию. Фототрофы (водоросли, цианобактерии, пурпурные бактерии и др.) обладают способностью к фотосинтезу. Световая энергия в процессе фотосинтеза улавливается фотоактивными элементами клетки и затем трансформируется в химическую энергию, которая в дальнейшем обеспечивает энергетические потребности микроорганизма.

Химическая энергия, высвобождается в результате окисления кислородом воздуха неорганических соединений (NH₃, H₂S и др.) и является источником энергии для хемолитотрофов. Энергия, получаемая в процессе окисления органических соединений, является источником энергии для хемоорганотрофов.

Энергия, которая высвобождается в процессе дыхания или брожения, непосредственно не может использоваться микроорганизмами. Для этого свободная энергия преобразуется в другую форму энергии — химическую. Соединением, которое содержит энергию, является аденозинтрифосфат (АТФ). Также аккумуляторами и переносчиками энергии являются и другие соединения: аденозиндифосфат (АДФ), цитозинтрифосфат (ЦТФ) и др. АТФ часто называют энергетической валютой, из него клетка получает необходимую ей энергию.

Окисление веществ в микробных клетках может происходить различными путями: присоединением к веществу кислорода и отнятием водорода (или дегидрированием). Окисление происходит также путем переноса электронов от одного вещества к другому. Вещество, теряющее электроны, окисляется (оно называется донором), а присоединяющее электроны – восстанавливается (это акцептор). Перенос водорода осуществляется окислительно-восстановительными ферментами. Акцептором водорода является или кислород воздуха, или любое другое вещество, которое способно восстановиться. В зависимости от того, что является конечным акцептором водорода, микроорганизмы делят на две основные группы:

• • аэробные (от греч. аег — воздух) микроорганизмы, окисляющие органические вещества за счет использования кислорода воздуха, который является и акцептором водорода (электронов);
• • анаэробные (от греч. ап — частица отрицания + аег — воздух) микроорганизмы, которые в энергетических процессах не используют кислород. Конечным акцептором водорода являются различные соединения, как органические, так и неорганические.

Кроме строгих, существуют факультативные аэробные и анаэробные микроорганизмы. Микроаэрофилы — это бактерии, которые могут развиваться при сниженном количестве кислорода, некоторые грибы, актиноми- цеты, бруцеллы и др.

Таким образом, аэробные микроорганизмы (грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии) окисляют органические вещества, причем полностью — до углекислого газа и воды, этот процесс называется аэробным дыханием. Если конечным акцептором электронов служит не кислород воздуха, а неорганические соединения (нитраты, сульфаты или карбонаты), то речь идет о анаэробном дыхании (нитратном, сульфатном, карбонатном и др.). К микроорганизмам, способным осуществлять нитратное дыхание, относятся факультативные анаэробы родов Pseudomonas и Bacillus, играющих важную роль в контаминации товаров, прежде всего продовольственных.

В процессе аэробного дыхания последовательно протекают гликоли- тические реакции, в ходе которых окисляются органические соединения, далее идет комплекс реакций, известных под названием «цикл Кребса», или «цикл трикарбоновых кислот». Затем образуется АТФ и происходит окисление субстрата до воды и углекислого газа. Цикл трикарбоновых кислот имеет большое значение для биосинтеза, так как в соответствии с ним происходит образование соединений, которые легко трансформируются в белки, аминокислоты, липиды, углеводы и другие продукты, необходимые микробной клетке.

Энергетическим материалом для микроорганизмов чаще всего являются углеводы. Сначала проходит гидролиз сложных полисахаридов с образованием моносахаров, чаще всего глюкозы, которая и окисляется. При этом окислении глюкозы освобождается вся энергия молекулы. Этот процесс многоэтапный, он происходит с участием множества разнообразных ферментов, образуется большое количество различных соединений. Но главный промежуточный продукт окисления глюкозы — пировиноградная кислота. Пути расщепления глюкозы до пировиноградной кислоты известны разные, но главным является гликолитический (от греч. glycys — сладкий + lysis — растворение, распад).

Это достаточно универсальный путь, и он свойствен многим микроорганизмам, причем и аэробным, и анаэробным. Освобождающаяся при переносе электронов в дыхательной цепи энергия затрачивается на синтез аденозинтрифосфата из аденозиндифосфата и неорганического фосфата, т.е. энергия как бы накапливается в форме энергии фосфатной связи. Естественно, что если происходит неполное окисление глюкозы, то энергии высвобождается меньше и в продуктах неполного окисления энергия остается. Эти продукты неполного окисления могут накапливаться в среде, например некоторые виды плесени окисляют глюкозу с образованием воды и органических кислот (лимонной, янтарной, яблочной, молочной, щавелевой и др.), которые накапливаются в среде. Уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды. Кислоты, соответственно, могут стать энергодающим материалом при следующих трансформациях. Таким образом, дыхание — это способ получения аэробными микроорганизмами энергии.

Анаэробные микроорганизмы (это многие бактерии, некоторые дрожжи) получают энергию в ходе процессов брожения или анаэробного дыхания. Брожение — это дыхание без воздуха, или как установил еще в 1860 г. Л. Пастер, «это жизнь без кислорода». Процессы брожения представляют собой энергодающие окислительно-восстановительные процессы, в ходе которых происходит образование АТФ в анаэробных условиях. В этом случае акцепторами водорода становятся различные органические соединения, которые в свою очередь являются промежуточными продуктами распада используемого исходного вещества.

Энергетическим материалом при брожении, так же как и при дыхании, чаще служат углеводы, и наиболее используемый из них — глюкоза. Глюкоза трансформируется до пировиноградной кислоты у анаэробов так же, как и у аэробных микроорганизмов, по гликолитическому пути. А вот дальнейшее превращение пировиноградной кислоты иное. У одних микроорганизмов, способных к брожению, она является акцептором водорода и далее восстанавливается в продукт брожения, например молочную кислоту. У других анаэробов пировиноградная кислота преобразуется в различные соединения, которые и являются акцепторами водорода.

Акцептор водорода регенерируется (восстанавливается), а восстановленные органические соединения (которые и являются конечными продуктами брожения) выделяются в субстрат. По основному продукту, накапливающемуся в субстрате, процесс и получает название (спиртовое брожение, молочнокислое брожение и др.). Но, кроме конечных продуктов, в субстрате всегда образуются продукты, окисленные не полностью; это органические вещества, содержащие в себе определенный потенциал энергии. Многие бродильные процессы применяют в промышленности. Но они же могут происходить и в процессах порчи пищевых продуктов. Подробнее эти процессы будут рассмотрены в гл. 6, посвященной биохимической деятельности микроорганизмов.

Некоторые микроорганизмы в анаэробных условиях могут окислять органические вещества с использованием неорганических акцепторов водорода (которые при этом восстанавливаются). Такой способностью обладают, например, денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие нитраты до свободного азота, что и называется нитратным дыханием. Сульфатное дыхание происходит при восстановлении сульфатов до сероводорода десульфатирующими бактериями (они используют в качестве акцептора электронов сульфаты).

Получается, что природа акцептора водорода (окислителя) у аэробов и анаэробов разная. Но, с одной стороны, и окисление, и брожение являются процессами, обеспечивающими микроорганизмы энергией, а с другой — промежуточные продукты распада (углеводов) являются материалом для строительства (синтеза белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других соединений, необходимых клетке). Интересно, что с точки зрения выхода энергии дыхание более выгодно для микроорганизмов, чем брожение, в процессе дыхания аэробных микроорганизмов синтезируется больше АТФ, чем у анаэробных в процессе брожения.

В доступную для клетки форму переводится не вся энергия окисления органических веществ. Значительное количество энергии, преимущественно в виде тепловой, теряется — рассеивается во внешней среде. Этим явлением объясняется самосогревание навоза, силосных кормов, зерна, картофеля, сена, хлопка: при повышении влажности в этих объектах начинают развиваться микроорганизмы, происходит самосогревание.

Например, зерно приобретает несвойственные здоровому продукту цвет и запах; снижаются всхожесть и технологические качества зерна, теряется масса товара, и в итоге товар может полностью потерять стоимость. Самосогревание начинается при массовом развитии сначала мезофильных, а затем термофильных микроорганизмов, оно может привести даже к самовозгоранию. Это явление обусловливается тем, что происходит повышение температуры материала за счет жизнедеятельности микроорганизмов до 60—70°С. А далее развиваются автокатали- тические химические процессы окисления, вызывающие дальнейшее нагревание.

Одной из форм проявления свободной энергии в процессе дыхания является свечение. Известны интересные случаи свечения некоторых объектов окружающей среды: морской воды и морепродуктов, например рыбы. Это происходит за счет присутствия на них особых светящихся микроорганизмов, в частности бактерий. Свечение происходит за счет выделения этими бактериями выработанной и неиспользованной в процессе жизнедеятельности энергии. Свет, испускаемый различными бактериями, различается по интенсивности и цвету: синевато-зеленоватый, с оранжевым оттенком, серебристо-белый и др.

Светящиеся бактерии, иначе фотобактерии или люминесцирующие бактерии, относят к родам Photobacterium, Vibrio и др. Среди них есть различные свободноживущие виды и виды, которые обитают в природе в симбиозе с животными. Среди фотобактерий не обнаружены паразитические и патогенные для людей виды. Многие представители являются обитателями соленых вод. Люминесцирующие бактерии являются таковыми за счет содержания ферментов люцифераз и оксидоредуктаз.

Светящиеся бактерии — подвижные грамотрицательные факультативные анаэробы, в процессе жизнедеятельности образуют муравьиную, уксусную, молочную и янтарную кислоты, спирт, С0₂, ацетоин. Свечение имеет место в присутствии кислорода и представляет собой процесс аэробного окисления.

Интересно, что между количеством вступившего в реакцию АТФ и интенсивностью свечения существует прямая зависимость. Способность к свечению существует и у некоторых грибов, у простейших и у различных многоклеточных животных. Например, у каракатиц за свечение ответственны бактерии, находящиеся в светящихся органах. В настоящее время эти микроорганизмы широко используются в биотестировании токсикантов, в частности в пищевых продуктах.