Шпаргалка по "Биотехнологии"

1. Способы питания микроорганизмов. Понятие о внеклеточном пищеварении.

 Микроорганизмы, как и  все другие живые существа, нуждаются в пище. Последняя поступает в их клетки из внешней среды. Пищей обычно называются вещества, которые, попав в живой организм, служат либо источником энергии для процессов жизнедеятельности, либо материалом для построения составных частей клетки.

Свою потребность в  питательных веществах микроорганизмы могут удовлетворять или непосредственно  усваивая их, или предварительно изменяя и делая их доступными для использования. Известны два способа питания живых существ — голозойный и голофитный.

При голозойном способе питания живой организм захватывает или заглатывает плотные частицы пищи, которая затем переваривается в пищеварительном тракте. Этот способ питания характерен для животных (от высших до простейших).

При голофитном способе питания живые существа, не имеющие специальных органов для заглатывания и пищеварения, используют питательные вещества, всасывая их в виде относительно небольших молекул из водного раствора. Этот способ питания свойствен растениям и микроорганизмам.

Внеклеточное пищеварение  свойственно только микроорганизмам. Крупные молекулы расщепляются экзоферментами, которые выделяются клетками микроорганизмов  в среду. Контакт экзофермента с  субстратом приводит в образованию  простых водорастворимых молекул, которые проникают через клеточную  стенку к цитоплазмам.

Поступление воды и растворенных в ней питательных веществ  из окружающей среды внутрь микробной  клетки, а также выход продуктов обмена происходит через клеточную стенку, капсулу и слизистые слои. Капсула и слизистые слои представляют собой достаточно рыхлые образования, и они, возможно, не оказывают значительного влияния на транспорт веществ, тогда как клеточная стенка может служить существенным барьером для поступления питательных соединений в клетку. 
Активная роль в процессе поступления в клетку питательных веществ принадлежит также цитоплазматической мембране. Последняя должна быть проницаемой для питательных веществ и кислорода, поступающих в клетку, а также для отбросов, выходящих наружу, что обеспечивает нормальную жизнедеятельность клетки микроорганизма. Поступление воды и растворенных в ней веществ через цитоплазматическую мембрану — динамический процесс: живая микробная клетка никогда не находится в равновесии с веществами окружающей среды, проходящими через ее мембрану.

2. Химический состав микробной клетки.

В наибольшем количестве в клетках содержатся углерод, азот, водород и кислород. Их называют важнейшими элементами – органогенами и они используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов, липидов. В значительном количестве в клетке обнаруживаются фосфор и сера, в небольшом количестве – микроэлементы (Fe, Mg, Mn, Cu, K, Ca, Na, Zn и др.). Все эти элементы в клетке находятся в различных соединениях. Большая их часть представлена органическими соединениями, входящими в состав «сухого вещества», на долю которого приходится 15-20%. Но самым значительным компонентом клетки в количественном отношении является вода, которая составляет 75-85%.

Вода в микробной  клетке находится в свободном  состоянии как самостоятельное  соединение, но большая ее часть  связана с различными химическими  компонентами клетки (белками, углеводами, липидами) и входит в состав клеточных  структур. Содержание свободной воды в клетке может изменяться в зависимости  от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста.

Белки составляют 50-80% сухого вещества и определяют важнейшие  биологические свойства микроорганизмов. Это простые белки – протеины и сложные белки – протеиды. Белки распределены в цитоплазме, нуклеоиде. Они входят в состав структурной  клеточной стенки. От количественного  и качественного состава белковых веществ зависит видовая специфичность  микроорганизмов. Общее количество нуклеиновых кислот колеблется от 10 до 30% сухого вещества микробной клетки и зависит от ее вида и возраста.

Углеводы составляют 12-18% сухого вещества и используются микробной клеткой в качестве источника энергии и углерода. Из них состоят многие структурные  компоненты клетки (клеточная оболочка, капсула и пр.).

Углеводный состав у различных видов микроорганизмов  различен и зависит от их возраста и условий развития.

Липиды, составляющие 0,2-40% сухого вещества, являются необходимыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Они участвуют  в энергетическом обмене. В некоторых  микробных клетках липиды выполняют  роль запасных веществ.

Минеральные вещества – фосфор, натрий, калий, магний, сера, железо, хлор и другие – в среднем  составляют 2-14% сухого вещества.

Микроэлементы участвуют  в синтезе некоторых ферментов  и активируют их. Соотношение отдельных  химических элементов в микробной  клетке может колебаться в зависимости  от вида микроорганизмов, состава питательной  среды, характера обмена и условий  существования во внешней среде.

3. Потребности микроорганизмов в питательных веществах. Типы питания микроорганизмов.

Для биосинтеза основных макромолекул клетки, из которых формируются клеточная  стенка, мембраны, нуклеоид, цитоплазма и другие компоненты, микроорганизмы должны получать в качестве источников питания углерод, азот, фосфор, серу, кислород, железо, кальций, магний, калий, натрий, хлориды и другие элементы в виде более или менее сложных соединений. Микроорганизмы нуждаются также в микроэлементах — марганце, цинке, меди, боре, молибдене, йоде и стронции. Помимо питательных элементов, используемых для построения структурных частей клетки, микроорганизмы нуждаются также в постоянном источнике энергии, которая расходуется на биосинтез различных соединений, транспорт веществ и другие жизненные процессы в клетке. Потребности различных микроорганизмов в источниках углерода весьма разнообразны. Фотосинтезирующие организмы, использующие энергию солнечного света, и бактерии, получающие энергию при окислении неорганических веществ, потребляют наиболее окисленную форму углерода — СО₂ как единственный или главный источник клеточного углерода. Все другие организмы получают углерод главным образом из органических веществ, а необходимую им энергию – путем окисления органических соединений. Следовательно, органические вещества служат одновременно и источником углерода, и источником энергии.

Микроорганизмы нуждаются  в источниках азотного питания, которые служат материалом для образования аминных — NH₂ и иминных — NH-rpynn в молекулах аминокислот, пуринов и пиримидинов, нуклеиновых кислот и других веществ, входящих в состав клетки. Самый доступный источник азота для многих микроорганизмов— ионы аммония (NH₄+) и аммиак (NH₃), они достаточно быстро проникают в клетку микроорганизма и трансформируются в имино- и аминогруппы.

Существуют микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот воздуха и строить из него необходимые компоненты клетки. Эти виды имеют большое значение в обогащении пахотного слоя связанными соединениями азота. В настоящее время известно большое число групп микроорганизмов (бактерий, актиномицетов, цианобактерий) с азотфиксирующей способностью. Наряду с минеральными источниками азота многие микроорганизмы могут потреблять азот органических соединений, которые одновременно служат и источником углерода.

Усвояемость органических источников азота весьма различна. Белки, представляющие собой высокомолекулярные соединения, не проникают в клетку микробов. Поэтому белками могут питаться только микроорганизмы, выделяющие в среду экзоферменты, расщепляющие молекулы белков до пептидов и аминокислот. Этими свойствами обладают многие микроорганизмы.

Сера, как и  азот,— необходимый компонент клеточного материала для всех организмов, в которых она встречается главным образом в восстановленной форме, в виде сульфидной группы. Зеленые растения ассимилируют соединения серы в окисленном состоянии в виде сульфатов и восстанавливают их для включения в биосинтез. Большинство микроорганизмов может использовать сульфаты в качестве питательного вещества, но имеются бактерии, требующие для биосинтеза источники восстановленной серы. Для таких организмов источником серы могут служить неорганические сульфиды, тиосульфаты и содержащие серу органические соединения. Наряду с углеродом, азотом и серой микроорганизмы используют значительные количества калия и фосфора и небольшие — натрия, магния, кальция, железа.

Калий необходим для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Он играет существенную роль в углеводном обмене и синтезе клеточного вещества. Магний входит в состав бактериохлорофилла у зеленых и пурпурных бактерий, серобактерий и хлорофилла у цианобактерий, а также служит активатором ряда ферментов. Магний находится в клетке главным образом в ионном состоянии или в составе нестойких органических соединений.  Источниками калия и магния являются их соли. Кальций необходим для роста некоторых бактерий (например, Azotobacter, Clostridium pasteurianum и др.). Источником кальция служат его водорастворимые соли. Железо относится к числу незаменимых питательных элементов, хотя и требующихся микроорганизмам в небольших количествах. Железо входит в состав особой органической группировки (геминной) кофермента некоторых важных ферментов (ге-минный фермент, цитохромы), участвующих в дыхании микроорганизмов. Источником железа могут служить сернокислые и другие его соли.

Микроорганизмам необходимы и микроэлементы, которые  хотя и потребляются в малых количествах, но имеют особое значение. Без микроэлементов невозможно осуществление важнейших жизненных функций, так как они входят в состав ферментов — сложных белковых образований, являющихся регуляторами и участниками обмена веществ у живых организмов. Например, медь входит в состав порфиринов, играющих роль переносчиков кислорода в процессах дыхания, а молибден в составе фермента нитрогеназы принимает участие в процессе фиксации азота из атмосферы. 
 
Кроме основных питательных веществ, почти все группы микроорганизмов нуждаются в небольшом количестве соединений, получивших название факторов роста. К ним относятся витамины и витаминоподобные вещества, пурины и пиримидины, аминокислоты и ряд других соединений.

Типы питания  микроорганизмов.

В соответствии с принятой классификацией микроорганизмов по типу питания их разделяют на группы в зависимости от источника углерода источнику энергии и источника  электронов (природы окисляемой субстрат).

В зависимости от источника углерода микроорганизмы делятся: автотрофы (из неорганических соединений) и гетеротрофы ( из органических соединений).

В зависимости от источника энергии различают фототрофы (микроорганизмы использующие энергию солнечного света) и хемотрофы (энергетическим материалом явл. Химические вещества).

В зависимости от источника электронов микроорганизмы делятся на: литотрофы (окисляют неорганические вещества и за счет этого получают энергию) и органотрофы (получают энергию путем окисления органичесих веществ).

1. Фотолитоавтотрофия. Тип питания характерный для микробов, использующих энергию света и энергию окисления неорганических соединений для синтеза веществ клетки из диоксида углерода.
2. Фотоорганогетеротрофия. Тип питания, характерный для микроорганизмов, которые для получения энергии, помимо фотосинтеза, могут использовать еще и простые органические соединения. К этой группе относятся пурпурные несерные бактерии.
3. Хемолитоавтотрофия. Тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих энергию при окислении неорганических соединений, таких как Н₂, NH+.NCv, Fe²+, H₂S, S°, SO:*-, S₂C>2-, CO и др. Этот процесс называется хемосинтезом. Углерод для синтеза всех компонентов клеток хемолитоавтотрофы получают из углекислоты.
4. Хемоорганогетеротрофия. Микроорганизмы, встречающиеся в продуктах имеют такой тип питания. Среди них различают сопрофиты и паразиты. Существуют микроорганизмы, которые сами не способны синтезировать то или иное органическое вещество, такие микроорганизмы наз. ауксотрофами по данному веществу. Вещества которые добавляют для ускорения роста и обменных процессов наз. ростовыми веществами.

4. Механизмы поступления питательных веществ в клетку.

Выделяют четыре различных  механизма, с помощью которых  вещества из окружающей среды проходят через цитоплазматическую мембрану: простую диффузию, облегченную диффузию, активный транспорт и перенос групп.

1. Простая диффузия. Проникновение молекул вещества в клетку без помощи каких-либо переносчиков. Движущей силой этого процесса служат градиент концентрации вещества, т.е. различие его концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Молекулы воды некоторых газов, некоторые ионы, концентрация которых во внешней среде выше, чем в клетке, перемещаются через цитоплазматическую мембрану путем посильной диффузии. Посильный перенос протекает до тех пор, пока концентрация веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны не выравнивается. Поступающая вода прижимает цитоплазму и цитоплазматическую мембрану к клеточной стенке и в клетке создается внутреннее давление на клеточную стенку называется тургором. Простая диффузия происходит без затрат энергии. Скорость такого процесса незначительна.
2. Облегченная диффузия. Происходит по градиенту концентрации с помощью белков переносчиков. Как и пассивная диффузия она протекает без затрат энергии; скорость ее зависит от концентрации веществ в растворе.
3. Активный транспорт. Растворенные вещества переносятся не зависимо от градиента концентрации. Этот вид транспорта нуждается в затратах энергии, с участием белков переносчиков. При активном транспорте скорость поступления веществ в клетку достигает максимума даже при малой концентрации их в питательной среде.
4. У многих микроорганизмов сахара транспортируются в клетку путем переноса групп. Этот процесс отличается от активного транспорта тем, что субстрат появляется внутри бактериальной клетки в химически модифицированной форме — чаще всего в виде фосфатного эфира. Движущая сила рассматриваемого процесса состоит в том, что внутри цитоплазматической мембраны сахар связывается в результате реакции с фосфорилированным ферментом и образующийся в итоге фосфатный эфир освобождается и поступает в цитоплазму. Химическая природа транспортируемого вещества при переносе не изменяется.

Таким образом, пищевые потребности  микроорганизмов зависят не только от внутреннего комплекса ферментов, необходимого для утилизации определенных соединений, но и от действия специфического транспортного механизма.

5.Понятие о конструктивном и  энергетическом обмене. Взаимосвязь  конструктивного и энергетического  обмена.