Как питаются и дышат бактерии? Зачем бактериям ферменты и пигменты?

Бактерии живут на планете Земля более 3,5 млрд. лет. За это время они многому научились и ко многому приспособились. Как и всему живому, бактериям присущи такие процессы, как питание, дыхание, размножение и спорообразование.

Они вырабатывают ферменты и пигменты, по наличию которых проводится идентификация микроорганизмов. Целая группа ферментов широко применяются в биотехнологии (генетическая инженерия, фармацевтическая, легкая и пищевая промышленность).

Роль бактерий в природе носит глобальный характер. Полезные бактерии выполняют две самые важные экологические функции — они фиксируют азот и участвуют в минерализации органических остатков. Они участвуют в перемещении, концентрации и рассеивании химических элементов в биосфере земли. Бактерии полностью обеспечивают жизнедеятельность человека.

Рис. 1. На фото колонии сенной палочки.

Рис. 2. На фото колонии бактерий, каждая из которых насчитывает миллионы особей. Каждая колония является потомством одной клетки. Они вырастают за 1 — 3 суток.

Химический состав бактерий и обмен веществ

Бактерии, как и все другие клетки на 75 — 85% состоят из воды. Остальную часть составляют органические и минеральные вещества.

Ферменты

Катализаторами обмена веществ внутри бактериальной клетки являются ферменты. В небелковую (простетическую) группу ферментов входят медь, железо, кобальт и цинк. У некоторых бактерий — витамины и их производные.

Вода

Вода — основа цитоплазмы клетки. В ней протекает множество биохимических реакций, растворяются вещества, поступающие в клетку, удаляются продукты обмена. Небольшая часть воды связана с клеточными структурами. Потеря воды более 50% необходимого для жизнедеятельности бактерий количества приводит к их гибели.

Органические вещества

В бактериальной клетке находится от 6 до 14% белков, 1 — 4% жиров, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Белки — основа любой клетки. В бактериальных клетках они являются основой цитоплазмы. Их много в оболочке клетки. Они входят в состав некоторых клеточных структур, в том числе ферментов — катализаторов обменных реакций. Тысячи белковых молекул уложены вдоль молекулы ДНК.

Жиры

Липиды (жиры) — энергетический материал бактериальной клетки. Липопротеиды, в состав которых жиры, составляют основу цитоплазматической мембраны. В цитоплазме они находятся в виде гранул и составляют энергетический запас клетки.

Углеводы

Углеводы находятся в цитоплазме, оболочках и капсуле бактерии и представлены сложными углеводами. Углеводы в клетке находятся в виде полисахаридов — крахмала, декстрина, гликогена и клетчатки. Как и жиры, углеводы в виде гликогена откладываются в цитоплазме и представляют собой запас энергетического материала.

Минеральные вещества

Катализаторами обмена веществ внутри бактериальной клетки являются ферменты. В небелковую (простетическую) группу ферментов входят медь, железо, кобальт и цинк. У некоторых бактерий — витамины и их производные. Минеральные вещества в виде фосфора, натрия, магния, хлора и серы входят в состав белков. Они принимают участие в обмене веществ и поддерживают нормальное внутриклеточное осмотическое давление.

Витамины

Витамины входят в небелковую (простетическую) группу ферментов бактерий. Некоторые бактерии сами синтезируют витамины В2 или В12. При участии бифидо-, лакто-, энтеробактерий и кишечной палочки синтезируются витамины К, С, группы В (В1, В2, В5, В6, В7, В9 и В12), фолиевая и никотиновая кислоты.

Рис. 3. На фото срез бактериальной клетки. В центральной части виден нуклеотид. Далее — цитоплазма и клеточная оболочка.

Мнение врача:

Бактерии – это микроорганизмы, которые питаются и дышат, используя различные механизмы. Они могут потреблять органические вещества, такие как сахара, белки и жиры, для получения энергии. Дыхание бактерий происходит через процесс окисления, при котором они используют кислород или другие вещества в качестве акцепторов электронов.

Ферменты играют важную роль в жизнедеятельности бактерий, поскольку они участвуют в разложении пищи и обеспечивают энергию для клеток. Пигменты, такие как хлорофилл у фотосинтезирующих бактерий, помогают им поглощать световую энергию для производства питательных веществ.

Важно понимать, что бактерии – это важная часть экосистемы, и их способность к питанию и дыханию имеет значительное влияние на окружающую среду и здоровье человека.

Питание бактерий

Питательные вещества через клеточную стенку путем диффузии проходят внутрь бактерии, а продукты обмена (метаболизма) наружу. Факторы, влияющие на поступление питательных веществ в бактериальную клетку:

• концентрация вещества,
• величина молекул,
• рН среды,
• проницаемость мембран и др.

Удовлетворение потребности в углероде

Автотрофные бактериис целью получения углерода используют только углекислый газ. Он является для них единственным источником углерода.

Гетеротрофные бактериииспользуют для получения углерода разнообразные соединения, содержащие углерод — гексозы, многоатомный спирт, углеводород.

Ряд бактерий использует для этих целей органические вещества и аминокислоты.

Удовлетворение потребности в азоте

Для нормальной жизнедеятельности бактериям необходимы аминокислоты, пурины, пиримидины, некоторые витамины, для синтеза которых необходим азот. Так азотофиксирующие бактерии усваивают молекулярный азот из атмосферного воздуха. Другие бактерии способны усваивать неорганический азот из нитритов, нитратов и солей аммония. Третьи потребляют азот из органических соединений, затрачивая свою энергию.

Рис. 4. Связывать азот и образовывать аммиак умеют сине-зеленые водоросли — цианобактерии.

Удовлетворение потребности бактерий в микроэлементах

Для нормальной жизнедеятельности бактерий нужна сера, фосфор, ионы магния, калия, кальция, железа и другие микроэлементы.

Способы питания

Автотрофные бактерии (автотрофы)

Автотрофы живут в кислородной среде и с целью получения углерода и энергии используют синтез органические вещества из неорганических.

Фотосинтез

Фотоавтотрофы для синтеза органических веществ из неорганических используют энергию солнца. К ним относятся зеленые водоросли, пурпурные и цианобактерии. Процесс носит название фотосинтеза.

Хемосинтез

Хемосинтезирующие бактерии для синтеза органических веществ из неорганических используют химические реакции окисления. Процесс носит название хемосинтеза.

• Серобактерии— получают энергию за счет окисления серы.
• Нитрифицирующие бактерии— получают энергию за счет окисления аммония и нитрита.
• Железобактерии— получают энергию за счет окисления двухвалентного железа.
• Водородные бактерии— получают энергию за счет окисления водорода.
• Метилотрофыс целью получения углерода и энергии используют окисленные или замещенные производные метана. Сегодня они представляют особый интерес, как объекты биотехнологии. С их помощью производится белок, ферменты, липиды, гормоны, антиоксиданты, пигменты, полисахариды, факторы транспорта железа и др.

Рис. 5. Зелёные серобактерии в колонне Виноградского.

Гетеротрофные бактерии

Гетеротрофные бактерии используют для построения своего организма и обеспечения его жизнедеятельности готовые органические вещества.

• Сапрофитыпитаются остатками мертвых органических веществ. Для расщепления питательных веществ они выделяют в субстрат пищеварительные ферменты (молочнокислые и бактерии гниения др).
• Бактерии-симбиотывсегда проживают с другими организмами. Они приносят друг другу пользу (клубеньковые бактерии бобовых растений).
• Паразитические бактериипотребляют питательные вещества клеток хозяина — менингококки, гонококки и др.
• Паразитический и сапрофитный образ жизниведут палочки сыпного тифа, сибирской язвы, бруцеллеза и др.

Рис. 6. На фото корни бобовых растений. Усваивать самостоятельно азот из воздуха бобовые растения не могут. В их корни проникают клубеньковые бактерии. Они связывают азот воздуха, образуя вещества, доступные растениям. Сами же растения выделяют органические вещества, которые служат питанием для бактериальной клетки.

Рис. 7. Клубеньковые бактерии сосредотачиваются вокруг ядра растительной клетки и активно размножаются, образуя инфекционные нити, по которым перемещаются. Они создают сотни килограммов удобрений, содержащих азот на один гектар почвы.

Мнение пациентов

Бактерии – это удивительные микроорганизмы, которые питаются и дышат по-своему. Они используют ферменты для расщепления пищи и получения энергии. Эти ферменты позволяют бактериям разлагать органические вещества, что важно для биологических процессов. Кроме того, бактерии также обладают пигментами, которые помогают им поглощать свет и выполнять фотосинтез. Эти уникальные способности делают бактерии важными участниками в природных экосистемах.

Транспорт питательных веществ

1. У бактериальных клеток, которые при окрашивании по Грамму приобретают фиолетовую окраску (

грамположительные), клеточная стенка толстая, многослойная. Ферменты, благодаря которым происходит расщепление питательных веществ, выделяются наружу и расщепляют крупные молекулы белков, полисахаридов и других биополимеров на более простые фрагменты.

2. У бактерий, которые при окрашивании по Грамму приобретают красную окраску (

грамотрицательные), клеточная стенка тонкая. Питательные вещества, которые поступают в клетку, расщепляются в периплазматическом пространстве (пространство между клеточной стенкой и мембраной цитоплазмы) гидролитическими ферментами.

Питательные вещества и ионы проникают в бактериальную клетку тремя путями:

• Пассивная диффузияпроисходит без использования энергии. При этом используется разница концентраций вещества (градиент концентрации). Так поступают малые полярные и неполярные молекулы кислорода, стероиды, жирные кислоты, вода, углекислый газ, азот, этанол и мочевина.
• О
  
  блегченная диффузиянеобходимых для клетки веществ протекает при помощи специальных белков, формирующих в мембране клетки каналы, заполненные водой, облегчающие проход нужных молекул.
• Активная транспортировкаоснована на работе транспортных белков, перекачивающих вещества, растворенные в воде против их градиента. Такая работа всегда требует затраты энергии.

Дыхание бактерий

При окислении веществ органической или неорганической природы высвобождается энергия, так необходимая для бактериальной клетки. Она идет на образование молекул АТФ — источника энергии. Для использования энергии химических реакций большинство бактерий использует кислород. Этот процесс называется дыханием.

Аэробные бактерии (аэробы)

Аэробы развиваются в средах, содержащих кислород.

• Облигатные аэробыразвиваются только при наличии достаточного количества кислорода в окружающей среде. Такой тип дыхания характерен для бактерий, обитающих в почве, в водной среде, в воздухе. Их дыхание осуществляется через окисление сероводорода, метана, водорода, железа и азота (Sulfomonas denitrificans, Вас. methanicus, Вас. hydrogenes, Ferri bacterium и Nitrosomonas, Nitrobacter). Бактерии этой группы принимают активное участие в круговороте веществ в природе. В наличии кислорода нуждаются патогенные бактерии из рода Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella и др. В повышенном содержании кислорода нуждаются микобактерии туберкулеза, туляремии и холеры.
• Факультативные бактерииспособны развиваться при наличии в окружающей среде минимального количества кислорода — Salmonella, Shigella, Escherichia и др.

Рис. 8. На фото аммонифицирующие бактерии подвергают останки погибших животных и растений разложению.

Рис. 9. Разлагают клетчатку целлюлозные бактерии. В результате их работы почва обогащается гумусом, что значительно повышает ее плодородие, а углекислота возвращается в атмосферу. Зеленым цветом окрашены внутриклеточные симбионты, желтым – масса перерабатываемой древесины.

Анаэробные бактерии (анаэробы)

Анаэробы развиваются без доступа кислорода, разлагая органические соединения в бескислородной среде. Свободный кислород подавляет активность ферментов этих бактериальных клеток. Бактерии этого типа обитают в компостных кучах, ранах больного человека, кишечном тракте людей и животных.

• Облигатные анаэробыне развиваются при наличии кислорода в окружающей среде (бактерии рода Clostridium, бактерии, вызывающие молочнокислое и маслянокислое брожение).
• Факультативные анаэробыразвиваются в присутствии кислорода или без него (кокки).
• При небольшом количестве кислородамогут развиваться микроаэрофиллы Clostridium histolyticum, Clostridium tertium и др.

Рис. 10. На фото газовая гангрена. Заболевание вызывается анаэробными бактериями рода клостридиум.

Рис. 11. На фото сибирская язва. Заболевание вызывается анаэробными бактериями рода бациллюс.

Рис. 12. Биоспорин-Биофарма — отечественный препарат, содержащий апатогенные бактерии рода Bacillus. Споры Bacillus выделяют противомикробные вещества, способные подавлять рост целого ряда условно-патогенных бактерий, не влияя при этом на нормальную микрофлору кишечника.

Ферменты бактерий

Все биохимические процессы в бактериальной клетке протекают при помощи ферментов — биологических катализаторов химических реакций в живой системе. Их действие направлено только на одно вещество. Ферменты специфичны для каждого вида бактерий. По наличию определенных ферментов проводится идентификация микроорганизмов.

• Ферменты бактериальной клетки состоят из 2-х частей — белковой и небелковой (простетической). Белковая часть состоит из простых белков. В небелковую часть входят такие микроэлементы, как железо, медь, кобальт, цинк, витамины и их производные.
• В зависимости от вида катализирующих особенностей ферменты подразделяются на 6 групп: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы.
• Лигазы и рестриктазы широко применяются в биотехнологии (генетическая инженерия, фармацевтическая, легкая и пищевая промышленность).
• Ферменты в бактериальной клетке распределены не хаотично, а строго упорядоченно.
• Ферменты, отвечающие за энергетический обмен и транспортировку питательных веществ, находятся в цитоплазме клеток.
• Ферменты, принимающие участие в белковом синтезе, имеют связь с рибосомами. Ряд ферментов находятся в цитоплазме хаотично.
• Эндоферментыфункционируют внутри бактериальной клетки. Они ускоряют реакции биосинтеза и катаболизма.
  
  Экзоферментывыделяются клеткой наружу, где происходит расщепление питательных веществ на более простые.
• Гидролитические ферментыучаствуют в расщеплении макромолекул. Субстратом для них служат различные сахара.
• Протеолитические ферментырасщепляют белки.
• Патогенные бактерии выделяют ферменты, разрушающие ткани организма человека, животного или растений. Например, стафилококки выделяют плазмокоагулазу — главного фактора патогенности микроба.

Рис. 13. Способность уксусных палочек окислять этиловый спирт до уксусной кислоты используется сегодня для получения уксуса, применяемого в пищевых целях и при заготовке кормов для животных — силосовании (консервировании). На фото процесс силосования кормов. Силос — сочный корм, обладающий высокой кормовой ценностью.

Рис. 14. На фото колонии бактерий, которые растут и размножаются на капле нефти. Они вырабатывают поверхностно-активные вещества, отчего нефтяная пленка расползается (убегает). Широко применяется деятельность

ксенобактерийдля очистки почв и водоемов, загрязненных нефтепродуктами.

Светящиеся и ароматообразующие микроорганизмы

Некоторые бактерии способны светиться (люминесцировать) в темноте. Свечение связано с выделением фермента

люциферазы, который образует кванты света в результате окислительно-восстановительных реакций. На многие вопросы, связанные с этим явлением, ученые сегодня так и не нашли ответы.

Колонизируясь на субстратах, бактерии вызывают свечение, например рыбной чешуи, грибов, гниющих деревьев и пищевых продуктов. Многие из них способны размножаться в средах с повышенным содержанием соли (галофильные виды).

Рис. 15. На фото светящиеся бактерии.

Рис. 16. Светящиеся бактерии — причина свечения моря.

Некоторые бактерии в процессе жизнедеятельности вырабатывают ароматические вещества (уксусно-этиловые и уксусно-амиловые эфиры), которые придают особый аромат винам, сырам и кисломолочным продуктам.

Рис. 17. На фото кефирный гриб. В нем живут и размножаются вместе более десяти микроорганизмов (симбиоз). Основные из них — молочные дрожжи, уксуснокислые и лактобактерии.

Пигменты бактерий

Почти все бактерии в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают пигменты.

• Пигмент располагается между клетками и имеет вид зернышек у Bacterium prodigiosum и Staphylococcus aureus.
• У Bacterium violaceum пигмент расположен в оболочке.
• Bacterium pyocyaneum выделяет пигмент в окружающую среду.

Некоторые бактерии растворимы в воде и окрашивают питательную среду. Пигменты стафилококка и сарцин (желтые пигменты) растворимы в спирту, но не растворяются в воде. Не растворяются ни в спирту, ни в воде, пигменты бурого и черного цветов дрожжей и плесени.

Пигменты образуются в условиях присутствия кислорода. Они имеют самые разнообразные цвета. Их физиологическая роль учеными до конца не установлена.

В настоящее время широко изучается химический состав и природа пигментов, которые синтезируют бактерии. Пигменты являются биологически активными веществами — антибиотиками, фитонцидами, стимуляторами роста. Пигменты вместе с другими факторами являются инструментом при их систематике. Русские ученые впервые установили связь между пигментами бактерий и их физиологическими функциями.

Рис. 18. На фото слева направо: бактерия Моргана, синегнойная палочка, неинокулированный контроль, Протеус Мирабилис и кишечная палочка, выращенные на среде Клиглера (содержит цитрат железа).

Рис. 19. На фото колонии микрококков желтого цвета.

Рис. 20. На фото колонии Bacterium prodigiosum кроваво-красного цвета.

Рис. 21. На фото колонии Bacteroides niger черного цвета.

Рис. 22. На фото колонии синегнойной палочки сине-зеленого

цвета.

Подробно о бактерияx читай в статьях:

«Строение бактерий»,

«Рост и размножение бактерий»,

«Споры и спорообразование в жизни бактерий».

Как и всему живому, бактериям присущи такие процессы, как питание, дыхание, размножение и спорообразование. Они вырабатывают ферменты и пигменты, по наличию которых проводится их идентификация. За миллионы лет бактерии освоили практически все известные биохимические процессы. Они участвуют в перемещении концентрации и рассеивания химических элементов в биосфере земли и полностью обеспечивают жизнедеятельность человека.

Частые вопросы

Как питаются бактерии?

Бактерии питаются различными органическими и неорганическими веществами, такими как сахара, аминокислоты, жиры, минеральные соли и даже нефть. Они могут использовать различные пути питания, включая фотосинтез, хемосинтез и разложение органических веществ.

Как бактерии дышат?

Бактерии могут дышать различными способами, включая аэробное дыхание (с использованием кислорода) и анаэробное дыхание (без использования кислорода). Некоторые виды бактерий могут даже производить энергию без использования кислорода, используя альтернативные электронные акцепторы.

Зачем бактериям ферменты и пигменты?

Ферменты необходимы бактериям для катализа химических реакций, таких как расщепление пищи и синтез молекул. Пигменты, такие как хлорофилл и каротиноиды, позволяют бактериям поглощать световую энергию для фотосинтеза и защищать их от повреждающих воздействий ультрафиолетового излучения.

Полезные советы

СОВЕТ №1

Изучите основные принципы питания бактерий, такие как хемоорганотрофы, хемолитотрофы и фототрофы, чтобы понять, какие органические и неорганические вещества используют бактерии в своем питании.

СОВЕТ №2

Изучите роль ферментов и пигментов в жизнедеятельности бактерий, так как они играют важную роль в обмене веществ и энергетических процессах.