Енергетичний обмін мікроорганізмів

Для здійснення життєвих функцій клітини - зростання і розмноження крім поживних речовин необхідний приплив енергії. Потреба мікроорганізмів в енергії задовольняється за рахунок енергетичного обміну, суть якого полягає в біологічному окисленні різних речовин з виділенням енергії і синтезі молекул з макроергічними зв'язками, в яких клітина запасає виділену при окисленні енергію. Енергетичні процеси мікроорганізмів за своїм обсягом значно перевищують біосинтетичні процеси, і здійснення їх призводить до суттєвих змін у зовнішньому середовищі.

Загальні положення про енергетичні процеси в клітині.

Жива клітина здатна використовувати в процесах життєдіяльності тільки хімічну енергію. Тепло не може бути використано живими організмами як енергія. Щоб воно використовувалося як енергія, необхідний значний перепад температур (як це має місце в теплових машинах).

У живих клітинах такий перепад температур (приблизно 100 ° С) неможливий. Джерелом енергії для живої клітини може бути світлова енергія, яка перетворюється кліткою в хімічну і накопичується в молекулах відновлених вуглеводних сполук (фотосинтез). Іншим джерелом енергії є хімічні реакції окислення - відновлення, при яких хімічна енергія відновлених вуглецевих і деяких неорганічних сполук перетворюється в біологічно доступну енергію макроергічних зв'язків.

Відомо, що будь-яка речовина, яка здатна окислюватися, може служити джерелом хімічної енергії для мікроорганізмів. У природі існує величезна кількість неорганічних і органічних сполук, здатних окислюватися. Біологічне окислення в клітині відбувається двома шляхами:

1) відривом водню від окисленого речовини і перенесенням його на інше, яке при цьому відновлюється;
2) відривом електрона (е-) від окисленого речовини і перенесенням його на інше, яке при цьому відновлюється.

Сполуки, здатні окислюватися, тобто джерела відірваних електронів або водню, називають донорами. Молекули, здатні прийняти відірвані при окисленні електрони або водень, називають акцепторами. Слід зазначити, що електрони не можуть існувати самостійно. Вони повинні бути передані у відповідні молекули від донора до акцептора. Тому все окислювально-відновні перетворення є, по суті, переміщенням електронів.

Енергія, що звільняється при окисленні субстрату, стає доступною для клітини тільки тоді, коли вона закладена в особливі тимчасові сховища - особливі молекули. У мікроорганізмів є кілька типів з'єднань, енергозберігаючих. Це АТФ та інші фосфатні сполуки, а також ряд карбонових кислот.

У процесах перенесення хімічної енергії в клітині головна роль належить системі АТФ - АДФ. Вільна енергія під впливом ряду ферментів переноситься з молекули АДФ, яка перетворюється в АТФ. Енергія накопичується в формі хімічної енергії макроергічних фосфатних зв'язків. Коли клітина використовує енергію, то від АТФ відщеплюється кінцева фосфатна група, і вона знову перетворюється в АДФ.

Фосфатна група переноситься на конкретні акцепторні молекули і вони отримують звільнилася при цьому енергію, за рахунок якої можуть проводити в клітці певну роботу. При відщепленні фосфатної групи від молекули АТФ вивільняється 7,3 ккал. Молекулу АТФ часто називають «енергетичної валютою» клітини. Важлива роль молекули АТФ в енергетичному метаболізмі клітини обумовлена наступними її властивостями:

хімічну стійкість, яка забезпечує збереження зекономленої енергії і перешкоджає втраті її у вигляді тепла;
малими розмірами молекул АТФ, що дозволяє їм легко потрапляти в різні ділянки клітини, яким необхідна енергія для реакцій біосинтезу;
енергетичний рівень макроергічним зв'язку, дозволяє молекулі АТФ зайняти проміжне положення між так званими високоенергетичними і низькоенергетичними речовинами і легко переносити між ними енергію.

Енергетичний обмін пов'язаний з біосинтезу, для якого він є постачальником енергії. Але можливі умови, при яких клітина виробляє енергії більше, ніж її витрачає. У молекулах АТФ енергія зберігається недовго (приблизно 1/3 секунди). Тут вона знаходиться в мобільній формі і призначена забезпечити енергозалежні процеси, що відбуваються в той період. На більш тривалий час клітина накопичує енергію в неактивних запасних речовинах типу волютина, ліпідів або віддає її надлишки в навколишнє середовище.

Типи енергетичного обміну. У мікроорганізмів спостерігається велика різноманітність енергетичного обміну. Типи енергетичного обміну мікроорганізмів визначаються:

джерелом енергії для процесу окислення, тобто донором електрона (видом речовини, використаного для окислення);
видом акцептора водню або електрона, інакше кажучи видом кінцевого речовини, який приймає електрони, що звільнилися при окисленні.

Особливості енергетичного обміну впливають на розселення мікробів в природі і на ті зміни, які спостерігаються в зовнішньому середовищі в результаті їх життєдіяльності. Мікроорганізми за джерелом енергії для окислювально-відновних реакцій всередині клітини поділяють на два типи:

фототрофи або фотосинтезирующие мікроби, які використовують енергію сонця;
хемотрофи, джерелом енергії яких є хімічні реакції в клітині.

Фототрофи і хемотрофи при окислювально-відновних реакціях можуть використовувати у вигляді окисляющегося речовини (донора електронів) як неорганічні, так і органічні сполуки.

За донором водню (електрона) мікроорганізми діляться на наступні типи:

мікроби, які використовують в якості донора водню неорганічні речовини. їх називають літотрофи (відповідно - фотолітотрофи і хемолітотрофамі);
мікроби, які використовують в якості донора водню органічні речовини, їх називають органотрофи (відповідно - фотоорганотрофи і хемоорганотрофи).

У хемотрофов різні акцептори водню (електронів), тобто кінцеве речовина, приймають на себе водень (або електрон). Залежно від походження кінцевого акцептора водню хемотрофи поділяють на два типи:

аеробні, у яких кінцевим акцептором електронів (водню) є молекулярний кисень;
анаероби, у яких кінцевим акцептором електронів (водню) є органічні або неорганічні речовини. Кисень для них отруйний.

Слід зазначити, що між аеробами і анаеробами немає різкого розмежування. Існують проміжні форми, які можуть існувати як при наявності молекулярного кисню, так і при його відсутності. Такі мікроорганізми називають факультативними аеробами або факультативними анаеробами. До факультативних анаеробів належать дріжджі та молочнокислі бактерії.

При аеробному диханні поживні речовини окислюються киснем повітря до кінцевих продуктів розпаду, тобто до вуглекислого газу і води. При цьому вивільняється значна кількість енергії. Наприклад, окислення глюкози в процесі аеробного дихання проходить так:

674 ккал тепла - це запас потенційної енергії глюкози, тобто кількість енергії, яка була акумульована в молекулі цукру при його фотосинтезі з вуглекислого газу і води в зелених рослинах. Енергія, що утворюється при цьому, використовується мікроорганізмами при засвоєнні поживних речовин для руху і розмноження.

До аеробних мікроорганізмів, тобто до мікроорганізмів, у яких дихання проходить аеробних шляхом, відносяться всі цвілеві гриби, а також багато бактерій. У більшості випадків для дихання вони використовують вуглеводи, але можуть використовувати інші органічні сполуки - білки, жири, спирти та ін. При цьому вони окислюються переважно повністю до кінцевих продуктів - вуглекислого газу і води.

Іноді при аеробному диханні відбувається тільки часткове окислення з утворенням інших органічних сполук. В такому випадку вивільняється менше енергії, тому, що частина потенційної енергії залишається в продуктах неповного окислення. Так, наприклад, оцтовокислі бактерії в процесі дихання використовують етиловий спирт, окислюючи його до оцтової кислоти:

При повному окисленні спирту до кінцевих продуктів виділяється значно більше енергії:

При анаеробному диханні мікроорганізми отримують енергію не шляхом окислення, а шляхом розпаду складних органічних речовин до більш простих. Анаеробне дихання прийнято називати бродінням. Мікроорганізми, у яких має місце анаеробне дихання, називають анаеробами. До них відносяться дріжджі і багато бактерій. Анаеробні мікроорганізми діляться на суворі (облігатні, безумовні), яким кисень повітря не тільки не потрібний, але і шкідливий, і факультативні (умовні), які можуть жити як без кисню, так і в його присутності. Типовими прикладами анаеробного дихання є:

спиртове бродіння (дихання дріжджів в анаеробних умовах)

молочнокисле бродіння (дихання молочнокислих бактерій)

маслянокислое бродіння (дихання маслянокисле бактерій)

Як видно з наведених рівнянь, при анаеробному диханні утворюється значно менше енергії, ніж при аеробному. Тому при аеробному диханні для того, щоб забезпечити потребу в необхідній кількості енергії, мікроорганізмам треба споживати більше цукру, ніж при аеробному.

На процеси життєдіяльності мікроорганізмів витрачається не вся енергія, що вивільняється при диханні. На ці процеси використовується близько 1/4 частини звільненої енергії. Велика частина енергії витрачається в навколишнє середовище. Це викликає нагрівання продуктів, в яких розвиваються мікроорганізми.

Аіменно так нагрівається вино, в якому проходить спиртове бродіння. В результаті бурхливого розвитку мікроорганізмів нагрівається вологе зерно, бавовна, торф, сіно, гній. Тепло, що виділяється при самонагрівання гною, використовують для утеплення теплиць. Деякі мікроорганізми виділяють невикористану ними енергію у вигляді світла. Це можна довести на прикладі світіння гнилого дерева.

Вам також може бути цікаво

Схожі статті

Попередня ◈ Наступна