Контрольная работа по "Биологии". 23

     1 Контрольная работа 

     3? Источники углерода, азота и других  элементов для  микроорганизмов.  Катаболизм (энергодающие  процессы) и биосинтез  или конструктивный  метаболизм (энергопотребляющие процессы). Их значение и взаимосвязь у разных микроорганизмов.

     Питание - процессы поступления и выведения питательных веществ в клетку и из клетки.

     Среди необходимых питательных веществ  выделяют органогены (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, магний, кальций).

     В зависимости от источника получения  углерода бактерии делят на:

1) аутотрофы (используют неорганические вещества – СО₂);

2) гетеротрофы;

3) метатрофы (используют органические вещества неживой природы);

4) паратрофы (используют органические вещества живой природы).

По источникам энергии микроорганизмы делят на:

1) фототрофы (способны использовать солнечную энергию);

2) хемотрофы (получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций);

3) хемолитотрофы (используют неорганические соединения);

4) хемоорганотрофы (используют органические вещества).

     Пути поступления метаболитов и ионов в микробную клетку.

1. Пассивный транспорт (без энергетических затрат):

1) простая диффузия;

2) облегченная диффузия (по градиенту концентрации).

2. Активный транспорт (с затратой энергии, против градиента концентрации; при этом происходит взаимодействие субстрата с белком-переносчиком на поверхности цитоплазматической мембраны).

     Всем микроорганизмам  для осуществления процессов  метаболизма, обеспечивающих синтез соединений, из которых построена клетка, а  также обеспечивающих расщепление веществ для получения энергии, необходимы питательные вещества.

     В качестве питательных веществ и  источника энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения.

     Процесс питания микроорганизмов имеет  ряд особенностей: во – первых, поступление питательных веществ происходит через всю поверхность клетки, во – вторых, микробная клетка обладает исключительной быстротой метаболических реакций, в третьих, микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды обитания.

     Разнообразие  условий существования микроорганизмов  обуславливает различные типы питания.

     Обязательными элементами, входящими в состав основного  соединения (белка) служат четыре органогена – кислород, водород, углерод и  азот.

     Источником  водорода и кислорода для микроорганизмов  служит вода. Вода необходима микробным  клеткам и для растворения  питательных веществ, так как  они могут проникать в клетку только в растворенном виде.

     Источником  азота и углерода для большинства  микроорганизмов являются различные химические соединения (органические и неорганические). Некоторые виды микроорганизмов способны усваивать элементарный азот непосредственно из воздуха, а углерод – из углекислоты.

     По  типам питания, в основе которых  лежит источник азота и углерода, микроорганизмы подразделяются на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

     Автотрофы (от греческого autos – сам, tropha – питание) способны синтезировать сложные  органические вещества, используя для  этого простые неорганические соединения. Источником углерода и азота для этих микроорганизмов являются углекислота и другие неорганические соединения углерода, молекулярный азот воздуха и аммонийные соли. За счет этих простых соединений автотрофные микроорганизмы синтезируют белки, жиры, углеводы, витамины, ферменты.

     Среди автотрофов (прототрофов) есть хемосинтезирующие, которые получают энергию за счет химических реакций, они лишены фотоситетических пигментов и фотосинтезирующие  микроорганизмы, получающие энергию  солнечного света и содержащие хлорофилоподобные пигменты.

     К автотрофам относится меньшая часть  микроорганизмов, большая же часть  из них является гетеротрофами.

     Гетеротрофы (от греческого heteros – другой, tropha –  питание) способны ассимилировать углерод  только из органических соединений. Что касается источника азота, то здесь могут быть разные источники. Многие гетеротрофы усваивают азот из аммонийных соединений. Есть представители гетеротрофных микробов, которые в качестве источника азота используют аминокислоты, а некоторые (преимущественно патогенные виды) используют нативный (неизмененный) белок.

     Среди гетеротрофов, также как и среди  автотрофов есть хемосинтезирующие, получающие энергию за счет химических реакций и фотосинтезирующие, получающие энергию солнечных лучей.

     Хемосинтезирующие гетеротрофы, подразделяются на хемоорганотрофы (паратрофы) и хемолитотрофы (метатрофы).

     Гетеротрофы широко распространены в природе  и играют очень важную роль в утилизации мертвых органических веществ растительного  и животного происхождения. Они играют важную роль в разложении мертвых органических остатков в почве, в сточных водах, в открытых водоемах.

     Такие гетеротрофные микроорганизмы называются сапрофитами (от греческого sapro – гнилой, phyto – растение) или метатрофами (живут за счет инертных органических веществ). Сапрофиты играют значительную роль в процессе минерализации мертвых органических соединений.

     Большинство бактерий, дрожжей, плесеней, некоторые  простейшие принадлежат именно к  этой группе микроорганизмов.

     В ходе эволюции в результате прогрессивных или регрессивных процессов (а может быть, тех и других) появились микроорганизмы (бактерии, простейшие, микоплазмы, вирусы и др.) способные существовать не только за счет мертвых органических остатков или продуктов обмена, но и в тканях и жидкостях живых растительных и животных организмов, осуществляя свое питание за счет активного белка высших организмов. Присутствие этих микроорганизмов может вызвать нарушение различных процессов и гибель животного или растительного организма.

     Подобные микроорганизмы называют паратрофами или паразитическими (от греческого patogenes – способный вызвать заболевание). Среди них есть факультативные, условно – патогенные и облигатные паразиты. К облигатным (строгим внутриклеточным) паразитам относятся хламидии, риккетсии, вирусы.

     Для обеспечения энергетических и биосинтетических потребностей микроорганизмов необходимо наличие в окружающей их среде  питательных веществ.

     Микроорганизмы  используют питательные вещества только в виде относительно небольших молекул. Сложные органические вещества (белки, полисахариды, липиды и пр.) могут быть использованы как источник питания только после их предварительного гидролиза до более простых соединений.

     Основным  компонентом клетки, осуществляющим транспорт питательных веществ и выход из клетки продуктов метаболизма является цитоплазматическая мембрана.

     В основе механизма питания микробной  клетки лежат диосмотические процессы. Питательные вещества из растворов  воспринимаются микробной клеткой  путем осмоса через их полупроницаемую оболочку. Этим же путем, только в обратном направлении, происходит и выделение из клетки продуктов метаболизма.

     Оболочка  клетки непроницаема для коллоидов. Вещества коллоидной природы могут  быть утилизированы только после  предварительного гидролитического их расщепления при помощи ферментов, выделяемых микробами в окружающую среду. Так, крахмал могут усваивать только те бактерии, которые выделяют фермент амилазу, расщепляющий крахмал.

     Накопление  в клетках в результате синтетических  процессов коллоидных белковых веществ, которые не имеют обратного выхода из клетки через оболочку, обуславливает рост микробных клеток и их последующее деление.

     Главной движущей силой осмотических токов  служит разница концентраций веществ  между питательными растворами и содержимым клеток. Осмотические процессы, лежащие в основе питания, представляют достаточно сложное явление, в котором большую роль играют и электрические заряды ионов питательных растворов, элементов оболочки, содержимого клеток, физико – химическая структура соединений и целый ряд других факторов.

     Благодаря постоянному притоку в клетку воды, ее коллоидные вещества находятся  в состоянии разбухания, вследствие чего оказывают давление на оболочку, достигающее больших величин (у  бактерий 3 – 6 атмосфер). Внутреннее осмотическое давление обуславливает тургор клеток.

     В тех случаях, когда микробные  клетки попадают в гипертонические  растворы, они резко обезвоживаются, в результате чего их протоплазма  сморщивается и отстает от оболочки. Это явление называется плазмолизом.

     При обратном соотношении концентраций, когда микробы находятся в  гипотонических растворах, клетки разбухают  до крайних пределов и в конечном счете тоже погибают. Это явление  называется плазмоптисом.

     Питательные вещества проникают в клетку несколькими способами.

     1. Пассивная диффузия, т.е. перемещение  веществ через толщу мембраны, в результате чего выравниваются  внутренняя концентрация веществ  и осмотическое давление по  обе стороны оболочки. Таким путем  могут проникать питательные  вещества, когда концентрация в среде значительно превышает концентрацию веществ в клетке.

     2. Облегченная диффузия – проникновение  питательных веществ в клетку  с помощью активного переноса  их особыми молекулами – переносчиками,  называемыми пермеазами. Это вещества  ферментной природы, которые локализованы на цитоплазматической мембране и обладают специфичностью. Каждая пермеаза адсорбирует соответствующее питательное вещество на наружной стороне цитоплазматической мембраны, вступает с ним во внутреннюю связь и диффундирует через мембрану, отдавая на внутренней стороне транспортируемое ею вещество в цитоплазму. Этот процесс совершается без использования энергии, так как перемещение веществ происходит от более высокой концентрации к более низкой.

     3. Активный транспорт питательных веществ осуществляется также с помощью пермеаз, но этот процесс требует затраты энергии. В этом случае питательное вещество не может проникнуть в клетку, если концентрация его в клетке значительно превышает концентрацию в среде.

     4. В ряде случаев транспортируемое вещество может подвергаться химической модификации, и такой способ переноса веществ получил название переноса радикалов или транслокации химических групп. По механизму передачи транспортируемого вещества этот процесс сходен с активным транспортом.

     Выход веществ из микробной клетки осуществляется или в виде пассивной диффузии, или в процессе облегченной диффузии с участием пермеаз.

     Разрушая  клетки ткани хозяев и выделяя  в окружающую среду продукты своего обмена веществ, микробы отравляют макроорганизм, обуславливая общую его интоксикацию.

Виды  метаболизма микроорганизмов

     В процессе метаболизма выделяют два  вида обмена:

1) пластический (конструктивный):

а) анаболизм (с затратами энергии);

б) катаболизм (с выделением энергии);

2) энергетический обмен (протекает в дыхательных мезосомах):

а) дыхание;

б) брожение.

     Энергетический  обмен

В зависимости  от акцептора протонов и электронов среди бактерий различают аэробы, факультативные анаэробы и облигатные анаэробы. Для аэробов акцептором является кислород.

По месту  действия выделяют cледующие ферменты:

1) экзоферменты (действуют вне клетки);

2) эндоферменты (действуют в самой клетке).

В зависимости  от катализируемых химических реакций  все ферменты делят на шесть классов:

1) оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции между двумя субстратами);

2) трансферазы (осуществляют межмолекулярный перенос химических групп);

3) гидролазы (осуществляют гидролитическое расщепление внутримолекулярных связей);

4) лиазы (присоединяют химические группы по двум связям);

5) изомеразы (осуществляют процессы изомеризации, обеспечивают внутреннюю конверсию с образованием различных изомеров);

6) лигазы, или синтетазы (соединяют две молекулы, вследствие чего происходит расщепление пирофосфатных связей в молекуле АТФ).

       Виды  пластического обмена (белковый, углеводный, липидный, нуклеиновый).

Белковый  обмен характеризуется катаболизмом и анаболизмом. В процессе катаболизма  бактерии разлагают белки под  действием протеаз с образованием пептидов. Под действием пептидаз из пептидов образуются аминокислоты.

В углеводном обмене у бактерий катаболизм преобладает  над анаболизмом. Полисахариды расщепляются до дисахаров, которые под действием  олигосахаридаз распадаются до моносахаров.

В зависимости  от конечных продуктов выделяют следующие виды брожения:

1) спиртовое (характерно для грибов);

2) пропионионово-кислое (характерно для клостридий);

3) молочнокислое (характерно для стрептококков);

4) маслянокислое (характерно для сарцин);

5) бутилденгликолевое (характерно для бацилл).

     Липидный  обмен осуществляется с помощью  ферментов – липопротеиназ, летициназ, липаз, фосфолипаз. Липазы катализируют распад нейтральных жирных кислот. При распаде жирных кислот клетка запасает энергию.

     Нуклеиновый обмен бактерий связан с генетическим обменом. Синтез нуклеиновых кислот имеет значение для процесса деления клетки. Синтез осуществляется с помощью ферментов: рестриктазы, ДНК-полимеразы, лигазы, ДНК-зависимой-РНК-полимеразы. 

     4? Пропионовокислое брожение. Возбудители, их морфологические, физиологические особенности. Приготовление и использование ПАБК (пропионово-ацидофильной-бульонной культуры). Роль микрофлоры в биосинтезе витаминов.

     Пропионовокислые  бактерии - неспороносные грамположительные  неподвижные палочки размером 0,5—0,8 или 1,0—1,5 мкм (в молодых культурах — искривленные, слегка ветвящиеся палочки, в более старых — кокковидной формы). Образуют колонии жёлтого, оранжевого или красного цвета, растут как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

     Пропионовокислые  бактерии родственны по ряду свойств гетероферментативным молочнокислым бактериям Они, как и молочнокислые бактерии, не встречаются в почве или водоемах. Обитают в основном в рубце и кишечнике жвачных животных, в молочных продуктах (не в молоке). Пропионовокислые бактерии — возбудители пропионовокислого брожения, сбраживают глюкозу, лактозу и др. углеводы, а также некоторые спирты с образованием пропионовой и уксусной кислот и CO₂. После молочнокислого брожения, когда лактоза превращена в молочную кислоту, начинают размножаться.

     Пропионовокислые  бактерии применяют для микробиологического  синтеза витамина B₁₂. Пропионовые бактерии могут синтезировать гемсодержащие белки. В их клетках обнаружены цитохромы. Эти бактерии характеризуются хорошо развитыми биосинтетическими способностями и могут расти на простой синтетической среде с аммонийным азотом в качестве единственного источника азота при добавлении к среде пантотеновой кислоты и биотина, а для некоторых видов и тиамина. У ряда пропионовых бактерий обнаружена способность к азотфиксации.

     Местообитание пропионовых бактерий — кишечный тракт жвачных животных, молоко, твердые сыры, в приготовлении  которых они принимают участие.

     Пропионовокислое  брожение: химизм и  особенности

     Основные  продукты пропионовокислого брожения, вызываемого несколькими видами бактерий из рода Propionibacterium, — пропионовая (CH₃CH₂OH) и уксусная кислоты и CO₂. Химизм пропионовокислого брожения сильно изменяется в зависимости от условий. Это, по-видимому, объясняется способностью пропионовых бактерий перестраивать обмен веществ, например, в зависимости от аэрации. Основное энергетическое значение для пропионовокислых бактерий имеют так называемые ключевые реакции пропионовокислого брожения.

     Под пропионовокислым брожением подразумевают биохимический процесс превращения бактериями сахара, молочную кислоту и ее солей в пропионовую кислоту. В этом брожении, кроме пропионовой кислоты, образуются и такие продукты, как уксусная кислота, углекислый газ, янтарная кислота, ацетоин, диацетил, другие летучие ароматические соединения - диметилсульфид, ацетальдегид, пропионовый альдегид, этанол и пропанол. Химизм данного брожения подобен типичному молочнокислому брожению с той разницей, что образовавшаяся молочная кислота в этом брожении не конечный продукт, а промежуточный. От других типов брожения пропионовокислое отличается высоким выходом АТФ, участием некоторых уникальных ферментов и реакций.

     Пропионовокислым  бактериям свойственен бродильный тип метаболизма: они расщепляют сахара по пути Эмбдена–Мейергоффа до пропионата, ацетата, СО₂ и сукцината. Химизм пропионовокислого брожения хорошо изучен и описан.

     В пропионовокислом брожении мы имеем  дело с карбоксилированием пирувата, приводящим к возникновению нового акцептора водорода — ЩУК. Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом. Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого биотин выполняет функцию переносчика CO₂. Донором CO₂-группы служит метилмалонил-КоА. В результате реакции транскарбоксилирования образуются ЩУК и пропионил-КоА:

     Ключевую  реакцию брожения - превращение а-метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА катализирует кофермент В₁₂ (Ado Cbl).

     Когда сбраживаемым субстратом является лактат, он сначала окисляется в пируват. Часть пирувата далее окисляется до ацетил-КоА и СО₂, причем превращение ацетил-КоА в ацетат сопровождается образованием АТФ. Получение в процессе брожения окисленных продуктов, ацетата и СО₂ уравновешивается сопутствующим восстановлением пирувата до пропионата.

     Пировиноградная кислота - обязательное промежуточное  соединение в брожении.

Пируват может быть превращен в пропионат  несколькими путями:

1). пируват  →акрилат→пропионат;

2). пируват→лактат→пропионат;

3). пируват  + С ₁ →сукцинат →метилмалонат →пропионат.

     Первые  две возможности у пропионовых  бактерий не реализуются, и образование  пропионата происходит из дикарбоновой кислоты по третьему пути.

     Сначала лактат окисляется до пирувата при  участии флавопротеида в качестве акцептора водорода, затем в реакции транскарбоксилирования образуется оксалоацетат. Донором СО₂ служит (S)-метилмалонил-КоА, а переносчиком СО₂ - биотин. Под действием малатдегидрогеназы и фумаразы образуется фумарат, который восстанавливается до сукцината в реакции, катализирующей фумаратредуктазой. Эта реакция сопряжена с синтезом АТР путем фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов. Далее в КоА - трансферазной реакции образуется сукцинал-КоА. Затем под действием метилмалонил-КоА-мутазы, содержащей кофермент В₁₂, осуществляется перегруппировка, ведущая к образованию (R)-метилмалонил-КоА, который, однако, не является субстратом для транскарбоксилазы. Скорее всего, (S)-стереоизомер образуется при действии специфической рацемазы. В зтом случае в реакции транскарбоксилирования синтезируется пропионил-КоА, и в результате последующего переноса КоА на сукцинат образуется пропионат.

     В процессе сбраживания лактата в  пропионат потребляется одна молекула NADH₂. Она образуется при окислении лактата до ацетата в соответствии с суммарным уравнением реакций брожения:

Лактат + NADH₂ + ADP + Pi → Пропионат + NAD + ATP.

Реакции, ведущие к образованию пропионовой  кислоты у пропионовокислых бактерий, могут быть представлены следующей  последовательностью:

1) Пируват + метилмалонил-КоА (а) ↔оксалоацетат+пропионил-КоА

2) Оксалоацетат+пропионил-КоА

3) Сукцинат + пропионил-КоА (+ КоА-трансфераза)↔сукцинил-КоА+пропионат

4) Сукцинил-КоА  ↔(+метилмалонилизомеразая)↔метилмалонил-КоА

5) Метилмалонил-КоА  (в) ↔(+метилмалонилрацемаза)↔метилмалонил-КоА(а)

Суммарно: пируват + 4H⁺→ пропионат.

Превращение оксалоацетата в сукцинат происходит в результате работы ферментов ЦТК: малатдегидрогеназы, фумаразы и сукцинатдегидрогеназы. Уксусная кислота образуется в результате окислительного декарбоксилирования пирувата:

6) Пируват  + HAD⁺ + КоА(+пируватдегидрогеназа)↔ацетил-КоА+Н⁺ + НADH + CO₂,

7) Ацетил-КоА  + Ф_н (+фосфотрансацетилаза)↔ ацетил-Ф + КоА, ацетил-Ф + АDФ (+ацетилкиназа)↔ацетат + АТФ.

     Итак, разобранный выше поток реакций  приводит к синтезу пропионовой кислоты. Однако пропионовокислое брожение — более сложный процесс, поскольку наряду с пропионовой кислотой в качестве продуктов брожения образуются уксусная, янтарная кислоты и CO₂.

     Кроме основных продуктов в разных количествах  в культуральной жидкости пропионовых бактерий обнаружены молочная, муравьиная, изовалериановая кислоты, этиловый и пропиловый спирты, уксусный и пропионовый альдегиды, ацетоин, диацетил. Состав конечных продуктов брожения зависит от культуры бактерий, состава среды и условий культивирования. Это касается как видов накапливаемых продуктов, так и количественных соотношений между ними.

     Соотношение продуктов брожения может быть разное и в значительной степени зависит  от степени окисленности источника  углерода. Между количеством организмов и количеством образующихся кислот нет прямой связи.

     Таким образом, уникальность пропионовокислого  брожения обусловлена: 1) участием ФЕП  – карбоксилтрансфосфорилазы фермента, не обнаруженного у других организмов, синтезирующих пропионат; благодаря  наличию этого фермента, брожение, осуществляемое пропионово-кислыми бактериями, работает как циклический процесс.

     2) особым способом образования  пропионата, которое сопряжено с  восстановлением фумарата до  сукцината и окислением пирувата  до ацетата и СО₂; транспорт электронов, сопровождающий эти реакции, сопряжен с окислительным фосфорилированием и синтезом АТФ;

     3) высокий выход АТФ, превышающий  выход АТФ в других известных  брожениях. 1,5 М глюкозы могут  дать пропионовокислым бактериям  около 6 М АТФ.

     Энергетическая эффективность пропионовокислого брожения связана также с выработкой пропионовыми бактериями новых метаболических способностей: реакций транскарбоксилирования и перегруппировки, участия в процессе КоА-производных. Образование дикарбоновой кислоты из пировиноградной с использованием механизма транскарбоксилирования вместо прямого карбоксилирования пирувата позволяет избежать дополнительных энергетических затрат на этом этапе брожения. Все это вместе взятое позволяет рассматривать пропионовокислое брожение как более совершенный из рассмотренных до сих пор способов получения энергии в анаэробных условиях.

Пропионово-ацидофильно-бульонная  культура (ПАБК)

     Пропионовокислые  бактерии й обнаружена способность  к активному синтезу витамина B₁₂, который накапливается внутри клеток. Эта особенность используется для промышленного получения витамина B₁₂ на отходах производства (молочной сыворотке и др.) с добавлением кукурузного экстракта в качестве источника витаминов.

     Для профилактики желудочно-кишечных заболеваний  молодняка и лучшего развития его широко используются различные диетические препараты (средства) и диетические корма. Смешанная культура пропионово-кислых бактерий, синтезирующих витамин B12. Ее используют при болезнях желудочно-кишечного тракта как лечебное и профилактическое средство, а также при В-гиповитаминозах, алиментарных анемиях и истощении молодняка.

     Препарат  готовят в ветеринарных лабораториях. В его состав входят витамины группы В (В₁₂, В₂, В₁, пантотеповая и никотиновая кислоты). В 1 л препарата содержится 1000 мкг и более витамина В₁₂. ПАБК применяют внутрь за 15…20мин до кормления 3 раза в день до выздоровления. Для профилактики диспепсии препарат дают с первого дня рождения теленка в течение 3…4 дней 1 раз в день в дозе 40…50мг.

     Супоросным  свиноматкам рекомендуется дача ПАБК по 50мг на голову в день как средство, повышающее неспецифическую резистентность, и предупреждающее незаразные болезни животных. Препарат скармливают в два курса по 10 дней: первый за 2мес, второй за 10 дней до опороса. 

     5? Микробиологические процессы, происходящие при приготовлении сена обыкновенного, бурого.