ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ У МИКРООРГАНИЗМОВ

Многообразное проявление деятельности микроорганизмов в природе определяется особенностями их метаболизма. Метаболизм, или обмен веществ, — совокупность процессов распада и синтеза, обеспе

чивающих поддержание, рост и размножение организма.

Существует принцип биохимического единства жизни на нашей планете, который заключается в универсальности определенных процессов и явлений. Так, универсальны «строительные блоки» (например, белки состоят из аминокислот), кванты биологической энергии (АТФ),

Рис. 47. Схема метаболизма бактерий

генетический код, пути расщепления сахаров, дыхательная цепь. На фоне этого единства у микроорганизмов прослеживается много специфического в процессах катаболизма и анаболизма, что выражается различиями источников энергии, источников углерода и восстановителя (водорода или электронов). Источниками последнего либо служат реакции катаболизма, либо он поступает извне.

По получаемой энергии микроорганизмы делятся на фототроф- ные (световая энергия) и хемотрофные (химическая). По субстратам анаболизма (источникам углерода) они дифференцируются на две главные группы автотрофов, которые фиксируют СО2 для конструктивного метаболизма, и гетеротрофов, которые нуждаются в готовых органических веществах разной степени сложности. По донору электрона различают литотрофы (неорганический источник) и органотрофы (органические вещества как источник водорода).

Есть микроорганизмы, способные переходить от одного типа питания к другому, например, от фотоавтотрофии к хемогетеротрофии. Такие организмы называют миксотрофами.

Катаболические процессы (реакции получения энергии) — это отнятие и перенос водорода (электрона). В зависимости от конечного акцептора водорода, образующегося при дегидрировании, различают следующие энергетические процессы у микроорганизмов: 1) дыхание (перенос на кислород); 2) брожение (перенос на органические акцепторы); 3) анаэробное дыхание (перенос на неорганические акцепторы — сульфаты, нитраты, хроматы). У бактерий есть также фотосин- тетическое фосфорилирование: образование АТФ за счет световой энергии.

Анаболические процессы, или конструктивный (строительный) метаболизм, связаны главным образом с источниками углерода и азота, которые могут быть в органической и неорганической форме, тогда как все другие элементы микроорганизмы получают в виде минеральных солей. Соотношение С : N в биомассе бактерий составляет 5:1, а в среде оптимальное соотношение должно быть 25:1, так как 1/5 часть углерода включается в вещества клеток, а 4/5 расходуется на энергетические нужды. Источниками углерода служат СО2 и (или) органические соединения. В качестве источников азота выступают белки, пептиды, аминокислоты, нитраты, аммонийные соединения и молекулярный азот. Кислород и водород поступают из воды. Кроме источников основных элементов-органогенов, зольных элементов и микроэлементов многие микроорганизмы нуждаются в специфических веществах, которые носят название факторов роста. Такими факторами роста у микроорганизмов могут быть витамины, аминокислоты, пуриновые основания. Независимые от факторов роста микроорганизмы принято называть прототрофами, а их мутанты, нуждающиеся в каком- либо ростовом факторе, — ауксотрофами.

Специфические потребности микроорганизмов в источниках питания, факторах роста или микроэлементах делают их удобными объектами для использования в качестве биологических индикаторов, например, при определении потребности почвы в удобрениях, при количественном анализе содержания витаминов или микроэлементов в почве. Впервые на свойства микроорганизмов как химических реактивов обратил внимание В. Л. Омелянский. В 1906 г. он написал статью «О применении бактериологического метода при химическом исследовании», в которой отметил две особенности микроорганизмов, как биологических индикаторов: их высокую специфичность и исключительную чувствительность.

Все процессы катаболизма и анаболизма протекают не самопроизвольно, а катализируются особыми ферментами.

Ферменты есть конститутивные, т. е. всегда присущие организму независимо от условий его роста, и индуцибельные, которые синтезируются клеткой только в присутствии соответствующего субстрата. В этом одна из особенностей ферментных систем микроорганизмов. Другая особенность — образование экзоцеллюлярных (внеклеточных) ферментов, которые расщепляют сложные молекулы субстрата (целлюлозу, белки, лигнин, хитин, липиды, пектин) во внешней среде. При этом клетка может синтезировать много фермента и поддерживать высокую активность процесса превращения экзогенного субстрата. Результатом является переработка больших количеств разнообразных веществ микроорганизмами при малой их биомассе. Эта особенность микроорганизмов широко используется человеком в таких процессах, как, например, пектиновое брожение, происходящее при мочке прядильных растений.