Особенности процесса биологического окисления (дыхания) микроорганизмов

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский  государственный университет

     Специальность 080401 «Товароведение и экспертиза товаров» 
 
 
 
 
 
 

     Курсовая  работа

     На  тему: Особенности процесса биологического окисления (дыхания) микроорганизмов

     По  предмету: Основы микробиологии 

Выполнила:

студентка группы 372

Никонова  Ю.Ю.

Проверила:

Поторко И.Ю. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Уфа 2010г.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

      Введение  

     Чтобы максимально использовать энергетические возможности, заложенные в процессе переноса электронов от субстрата на молекулярный кислород, необходимо было сформировать механизмы, позволяющие полностью отщеплять водород (электроны) от субстрата; создать системы, в которых весь отщепленный водород передается на O₂ наиболее рациональным путем, образовать механизмы, при помощи которых энергия электронного переноса трансформируется в химическую энергию, доступную для использования во всех энергозависимых процессах клетки. В ходе эволюции эти задачи были решены следующим образом.

1. Полное отщепление водорода от органического субстрата достигается в результате функционирования ЦТК или окислительного пентозофосфатного цикла. Если энергетическим субстратом являются неорганические соединения, для их окисления также были сформированы ферментативные реакции, катализируемые соответствующими дегидрогеназами.
2. Перенос водорода на молекулярный кислород осуществляется с помощью системы структурно и функционально взаимосвязанных переносчиков, составляющих в совокупности "дыхательную цепь".
3. Энергетические возможности переноса электронов по электрохимическому градиенту реализуются в результате функционирования механизмов, сопрягающих электронный транспорт с фосфорилированием.

     Рассмотрим  подробнее в данной курсовой работе,   как была решена каждая задача.

 

      1. Дыхание микробов 

     Дыхание микробов представляет собой биологическое окисление различных органических соединений и некоторые минеральные вещества. В итоге окислительно-восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, которая частично используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду.

     В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление - его присоединение. Эти же термины  применяют к реакциям, связанным  с переносом электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении - их присоединение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов - эквивалентные процессы. Способность соединений или элементов отдавать или принимать электроны обусловливаются окислительно-восстановительным потенциалом. По предложению М. Кларка, его обозначают гН2 (отрицательным логарифм порциального давления газообразного водорода). Это степень насыщения среды кислородом или водородом. Диапазон гН2 колеблется от 0 до 42,6. При rH2 < 28 среда обладает восстановительными свойствами, при rH2 >28 - окислительными, при rH2, равном28, - среда нейтральная. Аэробы живут при более высоком окислительно-восстановительном потенциале (rH2 14-35), анаэробы - при более низком (rH2 0-12). Таким образом, биологические преобразования в цитоплазме микробной клетки связаны с движением электронов, но это не простое электрическое движение, а сложный биологический процесс, который осуществляется при помощи ферментов. Последние катализируют реакции, ускоряют разрыв ковалентных связей и тем самым снижают энергию активации.

     Электроэнергия, вырабатывается микробами, может быть использована даже в некоторых приборах. В настоящее время сконструированы  передатчики, работающие на биологическом  электроэнергии, ее вырабатывают микроорганизмы, питающиеся сахаром, растворенным в морской воде. Энергия, освобождаемая в процессе окислительно-восстановительных реакций, накапливается в макроэргических соединениях АДФ и АТФ (аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат). Эти соединения содержат макроэргические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии. Они локализуются в сложно устроенных структурах микробных клеток - мезосомах, или митохондриях. Такие структуры имеют не только в растительных и животных клетках, но и в плесневых грибах, дрожжах и других микроорганизмах. Мезосомы представляют впячивания цитоплазматической мембраны и являются как бы электрическими станциями клеток, в которых происходит окисление углеводов, аминокислот, жирных кислот и других веществ. С мезосомами связан процесс окислительного фосфорилирования и снабжения микробной клетки энергией. Здесь же находятся ферменты, управляющие энергетическим процессом.

     Большое количество энергии, образуемой микроорганизмами, выделяется в окружающую среду и вызывает повышение температуры. Подобное явление наблюдается при силосовании кормов, биотермическом обеззараживании навоза, в скирдах или стогах плохо высушенного сена, во влажном зерне. Тепло, выделяемое микроорганизмами, называют биотопливом. Оно может быть использовано в практике сельского хозяйства при создании парников для выращивания ранних овощей, приготовлении бурого сена и в других случаях.

     По  типу дыхания микробов делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов. Аэробы хорошо растут на поверхности среды, которая соприкасается с воздухом. Анаэробы в такой среде жить не могут, так как они приспособлены к существованию при более низком окислительно-восстановительном потенциале.

     Факультативные  анаэробы могут жить при окислительно-восстановительном потенциале в пределах от 0 до 20 и выше. В такой диапазон укладывается окислительно-восстановительный потенциал как для аэробов (14-20 и выше), так и для анаэробов (0-12). Эта группа более многочисленна по своему составу, она включает в себя как сапрофитов, так и паразитов.

     Аэробное  дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором последним акцептором водорода служит молекулярный кислород. В результате окисления главным образом сложных органических соединений образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление.

     Полное  окисление. Основным источником энергии у микроорганизмов служат углеводы. При их расщеплении, которое происходит разными путями, важным промежуточным продуктом является пировиноградная кислота (пируват). Полное окисление пировиноградной кислоты происходит в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и дыхательной цепи. В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до конца - до образования углекислого газа и воды с освобождением большого количества энергии: 

     С6Н12О6+6О2 = 6Н2О+6СО2+2884,8 кДж. 

     Она соответствует запасу потенциальной  энергии гексозы, то есть тому ее количеству, которое было аккумулировано в молекуле сахара при фотосинтезе его из углекислого газа и воды в зеленых растениях. Передача электронов водорода на кислород осуществляется через дыхательную цепь, или цепь переноса электронов. Дыхательная цепь - это система дыхательных ферментов, которые находятся в мембранах. Мембраны, как известно, контактируют с цитоплазмой клетки, в результате чего происходит их взаимодействие.

     Неполное  окисление. Не все аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, они образуются плесневыми грибами. Так же осуществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями, у которых при окислении этилового спирта образуется не углекислый газ и вода, а уксусная кислота и вода: 

     СН3СН2ОН+О2 = СН3СООН+Н2О+494,4 кДж. 

     Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями может идти и дальше - до появления  углекислого газа и воды, при этом освобождается большее количество энергии: 

     СН3СН2ОН+3О2 = 2СО2+3Н2О+1366 кДж. 

     У некоторых бактерий в процессе дыхания  происходит окисление неорганических соединений. Примером окисления неорганических соединений могут служить процессы нитрификации, при которых нитрифицирующие бактерии вначале окисляют аммиак до азотистой кислоты, а затем до азотной. В каждом случае при этом выделяется энергия: в первой фазе 274,9 кДж, во второй - 87,6 кДж. 

2NH3+3O2=2HNO2+2H2O+274,9 кДж, 2НNО2+О2 = 2НNО3+87,6 кДж.

 

      Анаэробное дыхание осуществляется без участия молекулярного кислорода. Различают собственно анаэробные дыхание и брожение. При анаэробном дыхании акцептором водорода являются окисленные неорганические соединения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восстановленные формы. Так проходят денитрификация и десульфофикация (сульфатредукция). Нитраты восстанавливаются до аммиака или молекулярного азота, сульфаты - до сероводорода. Процесс восстановления нитратов до аммиака или молекулярного азота индуцируется ферментом нитратредуктазой. Если в среде содержится кислород, функция нитратредуктазы подавляется. Поэтому восстановление нитратов происходит только в анаэробных условиях.

     Брожение - расщепление органических углеродсодержащих соединений в анаэробных условиях. Оно характеризуется тем, что последним акцептором водорода является молекула органического вещества с ненасыщенными связями. Вещество при этом разлагается только до промежуточных продуктов, представляющих собой сложные органические соединения (спирты, органические кислоты). Заключенная в них энергия не используется микробами, а образовавшаяся в небольших количествах выделяется в окружающую среду. Так, при брожении молекулы гексозы (глюкоза) освобождается только 117,3 кДж, то есть примерно в 24,6 раза меньше, чем при аэробном окислении того же вещества: 

     СвН12Ов=2С2Н6ОН+2СО2+117,3 кДж. 

     Анаэробные  микробы чаще сбраживают безазотистые соединения с образованием органических кислот и других продуктов. Примером анаэробного дыхания может служить маслянокислое брожение, вызываемое одноименными бациллами. Все виды брожений до образования пировиноградной кислоты протекают одинаково. Дальнейшее превращение пировиноградной кислоты зависит от свойств микроба. Гомоферментативные молочнокислые бактерии превращают ее в молочную кислоту, дрожжи - в этиловый спирт.

     Анаэробный  процесс у микробов впервые был  установлен в 1861 г. французским ученым Луи Пастером. Он писал: "Брожение - это жизнь без воздуха". Акад. А.И. Опарин считает, что раньше на Земле появились анаэробы, так как во время возникновения жизни кислорода не было. Такого же мнения придерживаются и другие ученые.

 

      2. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ 

     ЦТК можно рассматривать как выработанный клеткой механизм, имеющий двоякое  назначение. Основная функция его заключается в том, что это совершенный клеточный "котел", в котором осуществляется полное окисление вовлекаемого в него органического субстрата и отщепление водорода. Другая функция цикла — снабжение клетки рядом предшественников для биосинтетических процессов. Обычно ЦТК является дальнейшей "надстройкой" над анаэробными энергетическими механизмами клетки. Исходным субстратом ЦТК служит ацетил-КоА ("активированная уксусная кислота"), образующийся у аэробов из пирувата в реакции, осуществляемой пируватдегидрогеназным комплексом:

CH₃-CO-COOH + КоA-SH + НАД⁺ ® CH₃-CO~S-КоA + НАД-H² + CO₂

     Собственно  ЦТК (рис. 1) начинается с конденсации ацетил-КоА с молекулой щавелевоуксусной кислоты, катализируемой цитратсинтазой. Продуктами реакции являются лимонная кислота и свободный кофермент А. Лимонная кислота с помощью фермента аконитазы последовательно превращается в цис-аконитовую и изолимонную кислоты. Последняя превращается в a-кетоглутаровую кислоту в реакции, катализируемой изоцитратдегидрогеназой. H₂ первом этапе реакции имеет место дегидрирование изолимонной кислоты, в результате которого образуется щавелевоянтарная кислота и НАД-H₂. На втором этапе щавелевоянтарная кислота, все еще, вероятно, связанная с ферментом, подвергается декарбоксилированию. Продукты реакции — a-кетоглутаровая кислота, освобождающаяся от фермента, и CO₂.