Классификация микроорганизмов

↑Классификация микроорганизмов по отношению к количеству и качеству питательных веществ

Разные микроорганизмы предъявляют  различные требования к количеству питательного субстрата в среде  обитания. По отношению к количеству углеродсодержащего органического  питательного вещества представители  мира микробов подразделяются на две  группы. Для олиготрофов оптимальны низкие концентрации питательных веществ (от долей до 100 мг в л), а обычные  для лабораторных сред количества (от 1 до 100 г в л) лимитируют их рост. При  таких концентрациях растут микроорганизмы-копиотрофы. Истинно олиготрофными считаются организмы, эволюционно приспособленные к эксплуатации экониш с постоянно низкими потоками вещества и энергии. Такой рост обеспечивается высокоэффективными транспортными системами и экономным расходованием полученного вещества и энергии. Для олиготрофов характерны:

аэробность,

высокое соотношение поверхности  к объему, образование различных  выростов,

малые размеры,

отсутствие покоящихся стадий,

высокое сродство к субстрату,

транспортные системы с широкой  субстратной специфичностью, одновременное  поглощение всех доступных субстратов,

способность к накоплению резервных  веществ,

высокая гибкость катаболизма,

низкие скорости роста в оптимальных  условиях,

регуляция анаболизма скоростью поглощения веществ,

низкие скорости эндогенного метаболизма. Высокие концентрации питательных веществ ингибируют рост истинных олиготрофов.

По способности использовать полимерные соединения, часто нерастворимые  в воде, микроорганизмы подразделяются на функциональные группы гидролитиков и диссипотрофов. Первые обладают мощными внеклеточными гидролазами, а разрушение высокомолекулярных соединений происходит при тесном контакте микробной клетки с поверхностью твердой частицы. Образующиеся при гидролизе растворимые в воде органические вещества служат питанием самим гидролитикам, а также микроорганизмам-диссипотрофам, не имеющим таких ферментов. Диссипотрофы (микрофлора рассеяния) потребляют те вещества, которые по тем или иным причинам не использованы гидролитиками, остались в незначительных количествах и «рассеялись» в окружающей среде. 

↑Типы питания микроорганизмов

Способы питания микроорганизмов  чрезвычайно разнообразны. Функциональные возможности конкретного микроорганизма зависят от наличия у него набора энергодающих и пластических реакций. В качестве основных признаков при определении типа питания (трофии) в микробиологии принято характеризовать источники энергии и углерода для синтезов и донор электронов (окисляемое вещество). Источниками энергии для микроорганизмов могут быть свет или восстановленные химические соединения. Микроорганизмы, живущие за счет энергии света и преобразовывающие ее в макроэргические связи молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), называются фототрофами. Этот процесс носит название фотосинтеза. Хемотрофия характеризуется использованием энергии химических реакций, в результате которых образуется АТФ. Такой процесс называют хемосинтезом. Органотрофы в качестве донора электронов применяют органическое вещество, а литотрофы - неорганическое. Микроорганизмы, использующие в качестве источника углерода в конструктивном обмене углерод углекислого газа, носят название автотрофов, а использующие готовые органические вещества - гетеротрофов. Углекислый газ они могут использовать как дополнительный источник углерода при гетеротрофной фиксации СО2, однако осуществлять биосинтезы только за счет этого процесса гетеротрофы не способны. Обычно гетеротрофная фиксация СО2поставляет до 10% от всего ассимилированного углерода. Для более полного обозначения типа обмена веществ применяют составной термин, первая часть которого обозначает природу источника энергии (фото- или хемо-), вторая - указывает на донор электронов (лито- или органо-), а третья говорит об источнике углерода для конструктивного обмена (авто- или гетеро-). Комбинация этих признаков дает восемь вариантов типов питания.

Таблица.

Типы питания микроорганизмов.

Высшие животные и растения способны только к хемоорганогетеротрофии и фотолитоавтотрофии соответственно, тогда как у микроорганизмов представлены все типы метаболизма, к тому же многие из них способны к переключению на другой тип питания в зависимости от условий существования.

Набор потребляемых органических веществ  у некоторых микроорганизмов  очень широк (например, у представителей родовPseudomonas и Actinomyces) или достаточно узок. Так, облигатные метилотрофы могут расти только на одноуглеродных соединениях. У некоторых микроорганизмов потребности в питании так сложны, что они способны развиваться только внутри клетки-хозяина (например, риккетсии и хламидии). В то же время, ряд микроорганизмов может употреблять сложные неприродные соединения (пластики, красители, пестициды и др.) в качестве источников энергии и углерода. 

↑Проникновение веществ в микробную клетку

Первой стадией метаболизма  того или иного вещества является его поглощение клеткой (транспорт). Прокариотические микроорганизмы, грибы и водоросли могут транспортировать внутрь клетки только вещества, растворенные в воде. Некоторые эукариоты способны поглощать из окружающей среды нерастворимые вещества в виде твердых кусочков или капель жидкостей, не смешивающихся с водой. Этот процесс носит название эндоцитоза. При фагоцитозе поглощаются твердые вещества, при пиноцитозе – жидкости. Среди микроорганизмов эндоцитоз могут осуществлять некоторые простейшие. Рядом с частицей пищи участок ЦПМ втягивается внутрь и замыкается, образуя вокруг нее вакуоль. Эта вакуоль, находясь в цитоплазме, сливается с лизосомой, содержащей набор гидролитических ферментов. В образовавшейся пищеварительной вакуоли частица пищи лизируется. Растворимые продукты гидролиза диффундируют в цитоплазму, а неразрушенные остатки экскретируются наружу путем, обратным эндоцитозу. У высших животных эндоцитоз сохранился в виде защитной функции поглощения чужеродных клеток фагоцитами, а обратный эндоцитозу процесс – при выделении гормонов.

У прокариот клеточная стенка и ЦПМ являются существенным препятствием для высокомолекулярных веществ. Поэтому такие соединения сначала расщепляются вне клетки на олиго- и мономеры соответствующими экзогидролазами. Они выделяются во внешнюю среду или располагаются на наружной стороне ЦПМ. У грамотрицательных бактерий эти ферменты могут быть локализованы в периплазматическом пространстве. Высокомолекулярные вещества в этом случае проникают в их периплазму через поры, образованные белками-поринами, находящимися в наружной мембране.

У микроорганизмов существует несколько  принципиально различных способов поступления веществ в клетку. Все незаряженные молекулы (Н2О, газы) могут поступать в клетку путем пассивной диффузии. В этом случае вещества с невысокой скоростью проникают в клетку по градиенту концентрации. Процесс не требует затрат энергии и происходит до тех пор, пока не наступит равновесие между содержанием данного вещества вне и внутри клетки. При облегченной диффузии скорость значительно увеличивается за счет участия специфических, часто индуцибельных, белков-переносчиков (пермеаз). Пермеазы либо расположены поперек мембраны, либо способны передвигаться через мембрану как в свободном, так и в связанном с транспортируемым веществом состоянии. Облегченная диффузия также не требует энергетических затрат и продолжается, пока есть градиент концентраций. Эукариотические клетки путем облегченной диффузии транспортируют различные сахара и аминокислоты. У прокариот (например, бактерий кишечной группы) путем облегченной диффузии переносится глицерол. Экскреция продуктов метаболизма у микроорганизмов, как правило, происходит также путем облегченной диффузии.

Микроорганизмы, часто живущие  в бедных средах, вынуждены поглощать  питательные вещества из разбавленных растворов. Поступление веществ в клетку против градиента концентрации происходит благодаря механизмам активного транспорта. Такие механизмы требуют затрат метаболической энергии. При работе многих мембранных ферментов происходит выброс протонов во внешнюю среду и образуется трансмембранный градиент протонов. Этот процесс носит название первичного транспорта. Протонный градиент в клетке всегда поддерживается на определенном уровне с помощью дыхания, фотосинтеза, брожения. Активный транспорт называют вторичным, поскольку он происходит за счет этого трансмембранного градиента протонов. У микроорганизмов известно несколько видов вторичного (активного) транспорта. При симпорте в одном направлении переносятся одновременно два вещества, при унипорте – одно, а антипортпредполагает движение двух веществ в противоположных направлениях.

Грамотрицательные микроорганизмы из-за наличия наружной мембраны имеют  дополнительные компоненты транспортных систем для переноса вещества через  периплазматическое пространство (связывающие белки). Эти высокоспецифичные растворимые белки образуют комплекс с субстратом на внутренней стороне внешней мембраны и пересекают периплазму, доставляя его на соответствующие пермеазы, которые с затратой энергии транспортируют субстрат внутрь клетки. Транспортные системы с участием связывающих белков имеются и у некоторых грамположительных микроорганизмов, но тогда связывающие белки «заякорены» своей N-концевой частью в ЦПМ. 

↑Способы получения энергии у микроорганизмов

↑Основные стадии катаболизма

Подавляющее большинство высших организмов обладает аэробным дыханием, при котором  органические вещества полностью окисляются в присутствии кислорода до углекислого  газа и воды. У микроорганизмов  возможности получения энергии  значительно шире. Окисляемые ими  органические субстраты намного  разнообразнее, к тому же они могут  использовать в качестве субстратов неорганические вещества. Варианты преобразования солнечной энергии у микроорганизмов  многообразней, чем у высших растений.

Связь реакций катаболизма и  анаболизма яснее прослеживается при  гетеротрофном микробном метаболизме. Обычно центральным амфиболитом  считают глюкозу, т.к. она первая из органических веществ образуется при фотосинтезе и она же может  вступать в катаболизм для получения  энергии. У микроорганизмов выявлены три пути окисления глюкозы. Гликолиз, или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса встречается как у прокариот, так и у эукариот. В нем из молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата, синтезируется 2 НАДН и 2 АТФ. Пентозофосфатный путь (гексозомонофосфатный, или путь Варбурга-Диккенса-Хорекера) распространен у растений, а у микроорганизмов в большинстве случаев играет вспомогательную роль. В результате его реакций образуются важные интермедиаты для последующих синтезов, пируват, три молекулы пиридиннуклеотидов и 2 АТФ. Кетодезоксифосфоглюконатный путь (КДФГ-, или путь Энтнера-Дудорова) присущ только микроорганизмам и приводит к образованию двух молекул пирувата, 1 АТФ, 1 НАДФН и 1 НАДН на молекулу глюкозы. 

Далее пируват, полученный в реакциях одного из путей использования глюкозы, преобразуется в «активированную уксусную кислоту» (ацетил-КоА).

«Активированная уксусная кислота» затем  поступает в окислительные циклы  или участвует в процессах  брожений. У дышащих микроорганизмов  основным окислительным циклом является цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), или цикл Кребса. За один оборот цикла из ацетил-КоА образуется 2 молекулы углекислоты, 4 восстановительных эквивалента и 1 АТФ. Основной синтез АТФ происходит в электронтранспортной цепи (ЭТЦ), куда восстановленные коферменты передают электроны. ЦТК выполняет функцию не только конечного окисления питательных веществ, но и обеспечивает организм многочисленными предшественниками для процессов биосинтеза. При интенсивном отведении интермедиатов цикла Кребса в анаболические реакции выработка энергии снижается из-за существенного замедления скорости конечного окисления ацетил-КоА. Для восполнения количества отведенных промежуточных продуктов служат короткие обходные пути (анаплеротические реакции), наиболее распространенным из которых является глиоксилатный шунт. При росте на средах с органическими кислотами и другими углеродными соединениями (не сахарами), дополнительные реакции требуются не только для обеспечения работы ЦТК, но и для синтеза промежуточных продуктов глюконеогенеза.

↑Различные виды брожений и вызывающие их микроорганизмы

Брожением называют процесс образования  АТФ в анаэробных условиях, при  котором одна часть органического  вещества окисляется, а другая –  восстанавливается. Еще Л. Пастер определил брожение как жизнь без кислорода. Брожению подвергаются вещества, которые не полностью восстановлены и не полностью окислены. Существует несколько видов брожений, характерных для тех или иных групп микроорганизмов и приводящих к образованию различных конечных продуктов.

Исторически первым было изучено спиртовое брожение у дрожжей. Дрожжи, как и большинство грибов, осуществляют аэробное дыхание, однако в отсутствии кислорода они способны сбраживать углеводы до этанола и углекислоты: С6Н12О6 → 2 СО2 + 2 С2Н5ОН. При этом пируват образуется в процессе гликолиза. Дрожжевое спиртовое брожение происходит при температурах до 30оС, а саморазогрев бродящей массы подавляет процесс.

Молочнокислое брожение осуществляют филогенетически неродственные микроорганизмы, объединяемые по признаку образования молочной кислоты. Это представители порядков Lactobacillales и Bacillales из класса “Bacilli” и члены семейства Bifidobacteriaceae из класса Actinobacteria. Они различны по морфологии, но все грамположительны и неподвижны. Они могут использовать лактозу, чем схожи с бактериями кишечной группы. Различают два варианта молочнокислого брожения. Пригомоферментативном молочнокислом брожении сахара используются путем гликолиза, молочной кислоты образуется ~ 90% и только 10% приходится на другие продукты (ацетат, ацетоин, этанол). Так сбраживают сахара многие лактококки и лактобациллы. При гетероферментативном молочнокислом брожении сахара сбраживаются через пентозофосфатный путь, а лактата образуется ~ 50%. Такой тип брожения осуществляют лейконостоки, ряд лактобацилл, бифидобактерии и некоторые другие микроорганизмы. Бифидобактерии отличаются особой модификацией гетероферментативного молочнокислого брожения без образования этанола и выделения СО2: 2 глюкоза → 2 лактат + 3 ацетат.

Пропионовокислое брожение осуществляют пропионовокислые бактерии, обитающие в рубце и кишечнике жвачных животных. Основная их часть относится к подпорядку Propionibacterineae из класса Actinobacteria. Это грамположительные, неподвижные бесспоровые палочки, способные осуществлять характерное "снеппинг"-деление с образованием из клеток «вилочек» и «заборчиков». Эта группа микроорганизмов интересна также тем, что у нее впервые в 1936 г. Харландом Вудом была обнаружена фиксация СО2 в гетеротрофных условиях. Она заключается в том, что ферменты пируват- или ФЕП-карбоксилазы достраивают С3-кислоты до С4-кислот с помощью СО2 (в том числе и экзогенного). Пропионовокислое брожение включает стадию гетеротрофной фиксации СО2, а образование пропионовой кислоты происходит по метилмалонил-КоА-пути в соответствии с суммарной реакцией: 1½ глюкоза → 2 пропионат + ацетат + СО2. В качестве кофакторов в брожении участвуют биотин и витамин В12.