Для получения энергии бактерии используют: Способы получения энергии бактериями (брожение, дыхание). Типы дыхания бактерий. —

Содержание

Питание бактерий | справочник Пестициды.ru

Питание является неотъемлемой функцией каждого живого организма. В процессе питания организм получает вещества, идущие на синтез клеточных структур и служащие источником энергии для всех процессов жизнедеятельности. Для питания микроорганизмов необходимы те же элементы, что и для животных, и растений. Первоочередные элементы питания – углерод, азот, кислород, водород, являющиеся основой всех органических веществ, которые входят в состав живой клетки как прокариоритеческих так и эукариоэтических организмов[5].

Типы питания бактерий чрезвычайно разнообразны. Различаются они в зависимости от способа поступления питательных веществ бактериальной клетки, источников углерода и азота, способа получения энергии, природы доноров электронов[4].

Способы поступления питательных веществ

По способам поступления питательных веществ бактерии подразделяются на:

  • голофиты (греч. holos – полноценный и греч. phyticos – относящийся к растениям) – бактерии неспособные выделять в окружающую среду ферменты, расщепляющие субстраты, потребляют вещества только в растворенном, молекулярном виде;
  • голозои (греч. holos – полноценный и греч. zoikos – относящийся к животным) – бактерии, обладающие комплексом ферментов, обеспечивающие внешнее питание – расщепление субстратов до молекул вне бактериальной клетки, после чего молекулы питательных веществ транспортируются внутрь бактерии[4].

Гетеротрофные бактерии: культура Erwinia amylovora


Гетеротрофные бактерии: культура

Erwinia amylovora


Источники углерода

По источникам углерода различают:

  • автотрофы (греч. autos– сам, trophe – пища) – бактерии, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (CO2), из которого осуществляют синтез всех углеродосодержащих веществ;
  • гетеротрофы (греч.geteros– другой, trophe– пища) – бактерии, использующие в качестве источника углерода различные органические вещества в молекулярной форме (многоатомные спирты, углеводы, жирные кислоты, аминокислоты)[4].

Наибольшая степень гетеротрофности отмечается у прокариот, живущих только внутри других живых клеток, в частности хламидий и риккетсий[4].

Источники энергии

В зависимости от используемых источников энергии бактерии подразделяют на два типа:

Хемоорганотрофные бактерии


Хемоорганотрофные бактерии



Pectobacterium carotovorum ssp. carotovorum вытекают из  тканей капусты[6].

Природа доноров электронов

По природе доноров электронов бактерии делят на:

В зависимости от источника энергии и природы донора электронов возможно четыре основных типа энергетического метаболизма: хемолитотрофия, хемоорганотрофия, фотолитотрофия, фотоорганотрофия. Таки образом, бактерии разделяют на:

Источники углерода, энергии и доноров электронов

Каждый тип энергетического метаболизма осуществляется на базе различных биосинтетических способностей организма. Как отмечалось выше, прокариоты, прежде всего, делятся на автрофов и гетеротрофов. В последствие, те же микроорганизмы распределяются ещё по группам: фототрофы, хемотрофы, литотрофы, органотрофы[3].

Следовательно, выделяется восемь сочетаний типов энергетического и конструктивного метаболизма, отражающие возможности способов питания прокариот:

Способы питания прокариот представлены в Таблице 1[2].

Всем перечисленным способам питания соответствуют реально существующие прокариоты. Однако число видов, относящихся к той или иной группе, далеко не одинаково. Большинство видов сосредоточено в группе с хемоорганогетеротрофным типом питания. В числе фотосинтезирующих прокариот (фототрофов) подавляющее число (все цианобактерии, большинство пурпурных и зеленых серобактерий) – фотолитотрофы[2].

Кроме указанных восьми типов питания, отмечается существование миксотрофов – организмов, способных одновременно использовать различные возможности питания. Например, способные одновременно окислять органические и минеральные соединения или использующие в качестве источника углерода, как диоксид углерода, так и органические вещества[3].

Таблица 1: Способы питания прокариот[2].


№ п/п


Способ питания


Источник углерода


Источники


энергии


Донор электронов


Представители


1


хемолитоавтотрофия


СО2 (автотрофы)


Окислительно-восстановительные реакции


(хемотрофы)


 


Неорганические соединения (литотрофы)


нитрифицирующие бактерии, тионовые бактерии, водородные бактерии, ацидофильные железобактерии


2


хемолитогетеротрофия


органические соединения (гетеротрофы)


метанобразующие бактерии,


водородные бактерии


3


хемоорганоавтотрофия


СО2 (автотрофы)


 


Органические соединения (органотрофы)


факультативные метилотрофы, окисляющие муравьиную кислоту


4


хемоорганогетеротрофия


органические соединения (гетеротрофы)


большинство прокариот


5


фотолитоавтотрофия


СО2 (автотрофы)


Свет ( фототрофы)


 


Неорганические соединения (литотрофы)


цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии


6


фотолитогетеротрофия


органические соединения (гетеротрофы)


некоторые цианобактерии,


пурпурные и зеленые бактерии


7


фотоорганоавторофия


СО2 (автотрофы)


 


Органические соединения (органотрофы)


некоторые пурпурные бактерии


8


фотоорганогетеротрофия


органические соединения (гетеротрофы)


пурпурные и некоторые зеленые бактерии,


галобактерии,


некоторые цианобактерии

Источники азота

Основные источники азотного питания аутотрофных (автотрофных) бактерий – неорганические соединения азота, то есть соли азота[1].

Основные источники азотного питания гетеротрофных бактерий – аминокислоты. Бактерии могут получать аминокислоты непосредственно из белков организма-хозяина при паразитизме или готовыми из питательных сред[1].

По способам азотного питания (усвоения азотистых веществ) выделяют четыре группы:

 

Статья составлена с использованием следующих материалов:

Литературные источники:

1.

Госманов Р.Г., Галиуллин А.К., Волков А.Х., Ибрагимова А.И. Микробиология: Учебное пособие. — 2-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2017. — 496 с.

2.

Гусев М.В., Минеева Л.А., Микробиология: Учебник. – 2-е издание. Москва, Издательство Московского университета, 1985 – 376 с.

3.

Емцев В. Т. Микробиология: учебник для вузов / В. Т. Емцев, Е. Н. Мишустин – 5-е изд., переработанное и дополненное – Москва: Дрофа, 2005. – 445 с.

4.

Пилькевич Н.Б., Виноградов А.А., Боярчук Е.Д. Основы микробиологии: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – Луганск: Альма-матер, 2008. — 192 с.

Источники из сети интернет:

5.

Изображения (переработаны):

6.7.

Свернуть
Список всех источников

Ученые используют бактерии для производства водорода | Водородная энергетика

Исследователи из Технологического института ITQB NOVA (Португалия) создают «световые бактериальные фабрики» для производства водорода, который можно использовать как топливо. Новый метод получения водорода позволит быстрее перейти от ископаемых к альтернативным возобновляемым источникам энергии, передает пресс-служба ITQB NOVA. 

Водород – одно из веществ, которое становится сегодня заменой традиционным видам топлива. Уже существуют автомобили, которые работают не на бензине, а на водороде. Тем не менее, так называемая «зеленая водородная экономика» требует, чтобы производство h3 было основано исключительно на возобновляемых источниках энергии. Кроме того, в идеале не следует использовать дорогие катализаторы из редких металлов, производство которых связано с серьезным уроном для экологии. Чтобы решить эту проблему, исследователи из ITQB NOVA работают над инновационной технологией производства водорода из света с помощью нефотосинтезирующих микроорганизмов.

В исследовании, представленном в журнале Angewandte Chemie International Edition, ученые описывают новый подход, основанный на биогибридных системах. В них сочетаются нефотосинтезирующие бактерии с высоким содержанием водорода и полупроводниковые наночастицы сульфида кадмия (CdS), которые очень эффективно улавливают свет.

Ученые исследовали производство водорода (Н2) под действием света биогибридами на основе нескольких бактерий. Все биогибриды производили h3 из света, но особенно активно – тот, который включал в себя Desulfovibrio desulfuricans, бактерию, обнаруженную в почвах. Эта бактерия содержит высокий уровень гидрогеназ, ферментов, участвующих в производстве водорода, и эффективен в производстве наночастиц внеклеточного сульфида. Эти самовоспроизводящиеся наночастицы улавливают свет, который затем бактерия может использовать для производства h3. Результаты показывают, что гибриды D. desulfuricans-CdS очень активно производят h3, при этом сохраняя высокую стабильность и эффективность при прямом использовании солнечной энергии. И все это – без дорогостоящих и токсичных катализаторов.

Использование микроорганизмов и светозарабывающих материалов собственного производства – это недорогой и устойчивый подход к производству топлива. Ранее ученые из Университета Линчёпинга (Швеция) сообщили об ещё одном способе получения водорода: нанопористый материал впитывает солнечную энергию и расщепляет молекулы воды для получения газообразного водорода.

В горящих угольных пластах Кузбасса нашли микробов, перерабатывающих вредные для человека вещества

Для геотермальных экосистем, к которым, например, относятся вулканы и горячие наземные и глубоководные источники, характерны суровые условия. Температуры здесь высокие, а среда может быть очень кислой или очень щелочной. Кроме того, в них также часто содержатся химически активные соединения, которые могут быть смертельны для живых организмов, поскольку они способны разрушить мембрану обычной клетки.


«Существовать здесь могут лишь очень приспособленные микроорганизмы. Они не только обладают уникальными защитными системами, но и способны получать энергию в ходе химических превращений тех веществ, что им доступны. Особенности их метаболизма активно использует человек: одни ферменты помогают биологам размножать молекулы ДНК в пробирке, другие — отбеливать ткани», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Виталий Кадников, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ФИЦ Биотехнологии РАН.

Молодые и пока плохо исследованные аналоги этих природных экосистем (называемые просто термальными) — места добычи углеводородов, то есть нефтяные скважины и угольные карьеры. Последние стали объектом исследования группы ученых из ФИЦ Биотехнологии РАН (Москва) и Томского государственного университета (Томск). Авторы изучили карьеры неподалеку от города Киселевск, Кемеровская область, и отобрали пробы пластов из мест, где были признаки подземного пожара — нагретый грунт, выходящие на поверхность дым и пар. Они охарактеризовали химический и минералогический состав образцов, чтобы понять, какие именно вещества могут использовать для получения энергии заселяющие уголь бактерии. Затем биологи определили видовой состав микроорганизмов из пласта, проанализировав содержащиеся в нем ДНК, а именно — последовательности гена одной из субъединиц рибосом, часто используемого для подобных целей.

Выяснилось, что в Кузбасском карьере обитает более десятка групп микроорганизмов, в большинстве своем — бактерии. Архей, которых принято считать обычными жителями экстремальных экосистем, оказалось не более 3%; все они хемолитоавтотрофы, перерабатывающие аммиак в нитрит. Последнее соединение стало «пищей» для другой немногочисленной группы организмов, переводящей его в нитраты, которые люди используют, например, в качестве удобрений.

Среди бактерий преобладали представители типа Chloroflexi, часто встречающиеся в средах с высоким содержанием углекислого газа; они же способны переводить ядовитый угарный газ в СО2. Потенциально это может быть полезным для новых технологий очистки воздуха везде, где используются печная топка. Некоторые бактерии из найденных в угольных пластах могут окислять водород с образованием воды.

Были обнаружены и микробы, которым для жизни нужен метан. Многие из определенных организмов могут фиксировать углекислый газ и расти автотрофно, но были и те, что питаются мертвыми останками своих собратьев. Кузбасский карьер оказался хорошо сбалансированным микробным сообществом, по разнообразию превосходящий подобные изученные ранее объекты в Китае, США и на Алтае.


«Наше исследование — еще один шаг к пониманию того, как возникли эти относительно молодые экосистемы, какие связи в них есть и можем ли мы использовать их. Они очень похожи на те, что формируются вокруг горячих источников, но кто знает, может, в них найдутся очень специфические организмы, которые позволят разработать новые способы получения ценных биотехнологических продуктов за счет использования водорода и угарного газа, образующихся при газификации угля», — рассказывает Виталий Кадников.

1.Способы получения бактериями энергии (дыхание,брожжение):

Сущность
процесса дыхания бактерий заключается
в совокупности биохимических реакций,
в ходе которых идет образование АТФ,
без которого невозможен процесс
метаболизма, протекающего с затратой
энергии. АТФ является универсальным
переносчиком химической энергии.

Большая
часть бактерий использует в процессе
дыхания свободный кислород. Такие
микроорганизмы получили название
аэробные (от аег — воздух). Аэробный тип
дыхания характеризуется тем, что
окисление органических соединений
происходит при участии кислорода воздуха
с освобождением большого количества
калорий. Примером может служить окисление
глюкозы в аэробных условиях, которое
приводит к выделению большого количества
энергии:

С6Н12О6
+ 602 6С02+6Н20 + 688,5 ккал.

Процесс
анаэробного дыхания микробов заключается
в том, что бактерии получают энергию
при окислительно-восстановительных
реакциях, при которых акцептором водорода
является не кислород, а неорганические
соединения — нитрат или сульфат.

Многие
бактерии могут существовать в аэробных
и анаэробных условиях. Такие микроорганизмы
получили название факультативных
(необязательных) анаэробов.

Факультативные
анаэробы обладают так называемым
нитратным дыханием, так как образующийся
при окислении органических соединений
нитрат (акцептор водорода) восстанавливается
до молекулярного азота и аммиака.
(стафилококки, кишечная палочка)

Облигатные
(обязательные) анаэробы могут существовать
лишь в строго анаэробных условиях..
Облигатные анаэробы при окислении
органических соединений образуют
сульфат, который восстанавливается до
сероводорода, поэтому облигатное дыхание
называют еще сульфатным. (возбудители
столбняка, газовой гангрены, ботулизма)

Образование
энергии (АТФ) наблюдается также при
процессах брожения, осуществляемых
разнообразными микроорганизмами.
Особенность брожения заключается в
том, что органические соединения
одновременно служат как донорами
электронов (при их окислении), так и
акцепторами (при их восстановлении).
Брожение происходит в отсутствие
кислорода, в строго анаэробных условиях.
Основными соединениями брожения являются
углеводы. В зависимости от участия
определенного микроба и от конечных
продуктов расщепления углеводов
различают спиртовое, молочнокислое,
уксуснокислое, маслянокислое и другие
виды брожения.

Спиртовое
брожение встречается, в основном, у
дрожжей. Конечными продуктами являются
этанол и СО2. Сбраживание глюкозы
происходит в анаэробных условиях. При
доступе кислорода процесс брожения
ослабевает, на смену ему приходит
дыхание. Подавление спиртового брожения
кислородом называется эффектом Пастера.
Спиртовое брожение используется в
пищевой промышленности : хлебопекарной,
виноделии.

Молочнокислое
брожение. Различают два типа:
гомоферментативное и гетероферментативное.

При
гомоферментативном типе расщепление
глюкозы происходит гликолитическим
распадом (ФДФ-путь) Водород от
восстановленного НАД передается на
пируват при помощи лактатдегидрогеназы,
при этом образуется молочная кислота.
Гомоферментативное брожение происходит
у S.pyogenes, E.faecalis, S.salivarius, у некоторых видов
рода Lactobacillus.

Гетероферментативное
молочнокислое брожение присутствует
у бактерий, у которых отсутствуют
ферменты ФДФ-пути : альдолаза и
триозофосфатизомераза. Расщепление
глюкозы происходит с образованием
фосфоглицеринового альдегида (ПФ-путь),
который превращается в пируват по
ФДФ-пути и в последующем восстанавливается
в лактат. Дополнительными продуктами
этого типа брожения являются также
этанол, уксусная кислота. Гетероферментативное
молочнокислое брожение встречается у
представителей родов Lactobacillus и
Bifidobacterium.

Муравьинокислое
(смешанное) брожение встречается у
представителей семейств Enterobacteriaceae,
Vibrionaceae.

Маслянокислое
брожение.

Аэротолерантные
микроорганизмы не используют кислород
для получения энергии, но могут
существовать в его атмосфере.

2.Реакция
преципитации. Механизм. Компоненты.
Способы постановки.

Применение
.Реакция
преципитации (РП) — это формирова¬ние и
осаждение комплекса растворимого
молекулярного антигена с антителами в
виде помутнения, называемого преципитатом.
Он образуется при смешивании антигенов
и антител в эквивалентных количес¬твах;
избыток одного из них снижает уровень
образования иммунного комплекса.

РП
ставят в пробирках (реакция
кольцепреципитации), в гелях, питательных
средах и др. Широкое рас-пространение
получили разновидности РП в полужидком
геле агара или агарозы: двойная
иммунодиффузия по Оухтерлони, радиальная
иммунодиффузия, иммуноэлектрофорез и
др.

Механизм.
Проводится с прозрачными коллоид¬ными
растворимыми антигенами, экстрагированными
из патоло¬гического материала, объектов
внешней среды или чистых культур
бактерий. В реакции используют прозрачные
диагности¬ческие преципитирующие
сыворотки с высокими титрами анти¬тел.
За титр преципитирующей сыворотки
принимают то наибольшее разведение
антигена, которое при взаимодействии
с иммун¬ной сывороткой вызывает
образование видимого преципитата —
помутнение.

Реакция
кольцепреципитации ставится в узких
пробирках (диаметр 0,5 см), в которые
вносят по 0,2—0,3 мл преципити-рующей
сыворотки. Затем пастеровской пипеткой
медленно наслаивают 0,1—0,2 мл раствора
антигена. Пробирки осторожно переводят
в’вертикальное положение. Учет реакции
производят через 1—2 мин. В случае
положительной реакции на границе между
сывороткой и исследуемым антигеном
появляется пре¬ципитат в виде белого
кольца. В контрольных пробирках
преци¬питат не образуется.

3.Гонококки.
Таксономия. Характеристика.
Микробиологическая
диагностика
гонореи. Лечение.
Таксономия.
Гонококк Neisseria gonorrhoeae относится к
семейству Neisseriaceae, роду Neisseria.Гонококки
вызывают гонорею — венерическое
заболевание человека, выражающееся в
гнойном поражении слизистых оболочек
мочеполовых органов, и бленнорею —
специфическое гнойное воспаление
конъюнктивы глаз.Морфология
и тинкториальные свойства
.
Гонококки морфологически идентичны
менингококкам — диплококки бобовидной
формы, размером от 1 до 1,5 мкм, неподвижны,
не образуют спор, капсула не обнаруживается,
грамотрицательны. Культивирование
и ферментативные свойства
.
Гонококки очень чувствительны к
питательным средам: их культивирование
проводится при добавлении нативного
человеческого белка — крови, сыворотки
или асцитической жидкости. Среды должны
быть свежеприготовленными, с сохраненной
влажностью. Строго выдерживается
температурный режим 36—37 °С; при повышении
до 39 °С наблюдается гибель гонококков.
Гонококки дают мелкие колонии до 1—2 мм
в диаметре, круглые, прозрачные.
Биохимически гонококки малоактивны —
разлагают только глюкозу.Антигенная
структура и токсинообразование
.
В антигенном отношении гонококки
неоднородны; различают несколько
серологических вариантов, однако
практического значения это деление не
имеет. Гонококки содержат эндотоксин,
который обусловливает общую
интоксикацию.Резистентность.
Гонококки малоустойчивы в окружающей
среде вне человеческого организма.
Повышение температуры до 40 °С приводит
к отмиранию кокков, а нагревание до 60
°С вызывает гибель в течение получаса.
Гонококки очень чувствительны к
высыханию. Дезинфицирующие вещества
убивают их быстро; особенно чувствительны
гонококки к нитрату серебра, который
губит их уже в разведении 1 : 1000. Этот
антисептик используется для обработки
конъюнктивы глаз новорожденных с целью
профилактики бленнореи. Входными
воротами для гонококков служит
цилиндрический эпителий уретры, шейки
матки, конъюнктива глазИммунитет.
Особенностью иммунитета к гонорее
является отсутствие как врожденного,
так и приобретенного иммунитета. Человек,
переболевший гонореей, может заболеть
вновь в результате реинфекции.Лабораторная
диагностика
.
При острой форме основным методом
исследования является бактериоскопия.
Из гноя, взятого из уретры, влагалища,
шейки матки, готовят два мазка: один
окрашивают метиленовым синим, второй
— по Граму. Характерное расположение
гонококков внутри лейкоцитов — явление
незавершенного’ фагоцитоза, грамотрицательная
окраска их достаточны для положительного
ответа. Выделение чистой культуры
необходимо в том случае, если гонококки
не обнаруживаются микроскопически. При
острой гонорее, но уже леченной, резко
снижается количество гонококков и
меняется их морфология. Для диагностики
хронической гонореи используется
серологический метод: реакция связывания
комплемента (РСК) по Борде —Жангу.Эпидемиология.
Источником инфекции является только
человек, больной гонореей. Заражение
происходит половым путем в результате
прямого контакта, значительно реже —
через предметы домашнего обихода
(влажные губки, полотенца),Специфическое
лечение и профилактика
.
Острая гонорея поддается лечению
препаратами пенициллина, стрептомицина,
тетрациклинами и сульфаниламидами,
раннее применение которых обеспечивает
излечение. Хронические формы гонореи
и различные осложнения (гонорейные
артриты, аднекситы, бартолиниты и др.)
плохо поддаются лечению. Гоновакцина.в
настоящее время применяют для лечения
больных с осложнениями или в диагностических
целях (провокационные пробы). Общая
профилактика основана на мерах
предупреждения венерических заболеваний.
Для предупреждения гонобленнореи
новорождённым сразу после рождения
закапывают в конъюнктивальный мешок
(девочкам также в половую щель) 1-2 капли
раствора сульфацил натрия.

17

Энергия бактерий: разговор с учёным о возможностях микробов

Поиски альтернативных источников – одна из главных тенденций последнего десятилетия. Запасы ископаемого топлива, нефти, газа или угля не бесконечны. На смену приходят солнечные батареи, ветрогенераторы и, в том числе, энергия микроорганизмов. Альтернативной энергетикой занимаются и ученые КубГУ. Андрей Лазукин, студент 2 курса магистратуры биологического факультета КубГУ и по совместительству инженер университета ИТМО создает микробные топливные элементы. Энергии бактерий, по мнению западных и российских ученых, уже сейчас хватает для подсветки газонов или дорог, а также питания датчиков контроля окружающей среды.

Нам нужен арсенал живых бактерий для решения задач. Чем больше мы их изучаем, тем лучше мы можем сделать мир вокруг. Больше всего бактерий именно в почве. Если мы хотим найти что-то интересное, стоит посмотреть, что у нас под ногами,

– рассказывает молодой ученый.

Вечный источник

“Микробные батарейки” в исследовательских целях устанавливаются учеными по всему миру. В Краснодарском крае подобное устройство, разработанное биологами КубГУ, работает в Карасунских прудах беспрерывно уже 8 лет. Бактерии – организмы неприхотливые, готовые питаться даже органическими веществами из обычной грязи со дна водоема. Пока у них есть еда – работают и сами батарейки. Также плюсом является скрытость конструкций. Мало кому придет в голову, что рядом с их домом работает под водой целая биоинженерная система по сбору важных данных. Однако, есть и «подводные камни»:

Буквально год назад с научной группой ездили во Владивосток устанавливать микробные батарейки и топливные элементы в Японское море. Через год они обросли ракушками, приплыли рыбы, пришли крабы и несколько установок просто пришли в негодность. Из 10 микробных ячеек осталось всего 8 рабочих. Тайфуны также дали о себе знать, все-таки здесь, на Карасуне, условия для работы биотопливных элементов более мягкие,

– рассказал Андрей Лазукин.

Бактериальные силы России

Фото:  скрин с YouTube-канала “Internet of Bacteria”

В декабре 2020 года стартовал проект «Интернет бактерии», в котором студенты КубГУ и ИТМО привлекают к поиску уникальных бактерий обычных граждан.

Всем желающим стать частью научного процесса отправляется набор: микробный топливный элемент, реактивы, доступ к сайту с материалами и видео-инструкциями. Устройство подключается к местному wi-fi и отправляет данные в интернет. Так, в режиме реального времени можно получать данные о энергетически сильных бактериях со всей страны.

Главная цель – изучить различную почву регионов России и найти наиболее «электрозаряженные» бактерии, способные вырабатывать большее количество энергии. Сейчас в исследовании принимают участие 37 городов: от Приморского края до Мурманской области. Среди лидеров – бактерии Оренбурга, которых в ближайшее время будут подробно исследовать.

В фильме «Матрица» машины используют людей в качестве энергии, у нас принцип тот же, только с микроорганизмами. Когда они поглощают свою еду в почве, то идет разрушение сложных молекул, за счет чего получаются электроны, которые бактерии отдают уже нам,

– поясняет исследователь Андрей Лазукин.

От биологии до физики один шаг

По рассказам Андрея Лазукина, еще в детстве ему хотелось понять, как все устроено.  Мама – биолог, отец – физик. Объединить всё, что нравится маленькому Андрею, смогла биология, ведь это наука о самой жизни.

Я выбрал биологию, потому что мне хотелось заниматься чем-то на стыке химии, физики и биологии. Мне повезло, отец занимался радиотехникой, и мне передалась его любовь к этому делу. Сейчас я создаю устройства, которые помогают мне в научной работе. Так, данные для моего диплома собрали машины, которые я сделал сам,

– вспоминает Андрей.

Междисциплинарный подход в научной среде с каждым годом набирает обороты. Неординарные сочетания представителей разных областей науки приводят к новым открытиям и появлению таких направлений, как генная инженерия. Стремление Андрея Лазукина изучать сразу несколько дисциплин дало свои плоды в университетской жизни, где студент встретил человека, который влюбил его в мир биофизики – доцента кафедры генетики, микробиологии и биохимии биологического факультета  КубГУ Никиту Волченко. Впоследствии они вместе работали над рядом больших проектов, в том числе над «Микробным топливным элементом», который университет поставляет в разные регионы страны.

Шаг за шагом, знакомясь с его идеями, умением ставить вопросы и искать пути ответа на них — стало ясно, что он один из тех студентов, кто занимается исследованиями не потому что «надо», а потому что «интересно». Андрей уже с 1 курса являл собой редкий случай способности к комплексному биофизическому подходу, когда при наличии биологической теоретической и практической базы у человека есть еще и техническое, инженерное мышление. Плюсом в его стремительной эволюции, как специалиста, стал тот факт, что Андрей умеет отлично работать руками и воплощать свои идеи в реальные биоинженерные конструкции. Работа с ним представляла непрерывную череду поиска нетривиальных решений и поиска ответов на порой ещё не заданные никем вопросы. Он правда молодец, с ним приятно и интересно работать,

– поделился своим мнением Никита Волченко.

Микропольза больших размеров

Фото: из личного архива Н.Н. Волченко

Сброс сточных вод в реки и моря – большая проблема, однако в этих отходах есть большое количества бактерий. Микроорганизмы могут за счет этого вырабатывать электрический ток, тем самым утилизируя органические вещества сточных вод. Также электроэнергия, вырабатываемая микробами, может применяться для питания датчиков по сбору данных о температуре, мутности и кислотности водоема. Это возможность получить ранее неизвестные показатели.

Одна из разработок команды микробиологов — «Биоплато для очистки воды и питания датчиков мониторинга» — решает сразу две задачи.  Впервые разработка была создана Никитой Волченко и Андреем Лазукиным с командой школьников в центре «Сириус», где и была представлена Владимиру Путину. Он в свою очередь поддержал проект и команду ученых. Станция на воде передает полученные сведения напрямую в интернет. Можно сказать, что сама энергия бактерий отправляет данные на телефон.

Мы сделали плавающий остров, в который встроили растения, очищающие воду от азотного загрязнения, ведь в том числе оно приводит водоемы к цветению, из-за чего рыбы погибают из-за нехватки кислорода. При этом, само биоплато контролирует состояние воды, питание электроники осуществляется за счет “микробных батареек”, то есть там нет солнечных батарей, все работает автономно, благодаря бактериям,

– пояснил работу биоплато студент-ученый.

Время без белого халата

Недавно «Краснодарские известия» сделали подборку стереотипов, которые бытуют о научном сообществе: отсутствие свободного времени, “повернутость” на науке и так далее. Однако это точно не про Андрея Лазукина, в число его хобби входят танцы. Студент окончил школу искусств и ездил с коллективом выступать в разные страны. Другим пристрастием Андрея являются путешествия, которые гармонично сочетаются с жизнью ученого.

 Раньше любил путешествовать по Европе и Восточным странам, но последние 2 года начал понимать, что чем больше путешествую, тем больше люблю свою Родину. Хочется больше ездить и узнавать свою страну. Благо, у меня получается это делать, сейчас работа научного сотрудника предполагает командировки в разные города, мне нравится узнавать историю этих мест,

– поделился студент КубГУ.

Наука – это возможность посмотреть в будущее, а микробные топливные элементы помогут воплотить его в жизнь.

Текст подготовила Екатерина Железнова

как превратить органический мусор в биотопливо — РТ на русском

Канадские учёные нашли способ переработки органических отходов в биотопливо с помощью бактерий. Раствор полезных микроорганизмов остатки еды превращает в экологически чистые материалы, которые можно использовать вместо нефтепродуктов. По словам исследователей, их технология доступна даже для небольших хозяйств.

Специалисты в области экологической инженерии Университета Уотерлу (Канада) разработали технологию превращения пищевых отходов в экологически безопасное биоразлагаемое химическое вещество с помощью полезных бактерий. Полученный субстрат может в дальнейшем использоваться в качестве топлива и других продуктов переработки углеводородов. Об этом сообщил журнал Bioresource Technology.

«Для нас, экологических биотехнологов, пищевые отходы — огромный ресурс. Благодаря современным технологиям они могут быть источником множества полезных химикатов и топлива», — заявил разработчик технологии, директор лаборатории экологической биотехнологии Университета Уотерлу профессор Хён Сул Ли.

Профессор Ли уверен, что широко применяемая в настоящее время по всему миру технология метанового брожения устарела. Биомусор при такой системе переработки разлагается в реакторах на огромных заводах и производит газ, который потом сжигается для производства электроэнергии. По мнению Ли, данная технология слишком дорогая, а отходы производства необходимо впоследствии подвергать очистке.

В разработанном канадскими технологами реакторе происходит полная естественная ферментация любых органических веществ, в том числе остатков еды. Для запуска процесса в систему переработки заливается особая смесь бактерий, которые просачиваются в отходы и «переваривают» их, образуя карбоновые кислоты. Эти органические соединения имеют массу применений, в первую очередь в качестве замены сырой нефти.

Также по теме


Кислородное голодание: как пластиковый мусор влияет на полезные бактерии в Мировом океане

Загрязнение Мирового океана пластиком угрожает прохлорококковым водорослям — цианобактериям, которые вместе с другими микроводорослями…

Новая технология не только решает проблему переизбытка мусора на планете, но и значительно снижает вред от добычи углеводородов и использования продуктов нефтехимии. По словам профессора Ли, его система переработки дешевле и эффективнее любых существующих на сегодняшний день технологий, при этом использование его мини-реакторов не требует постройки гигантских заводов и дополнительной очистки. Данная система переработки может применяться даже в небольших хозяйствах.

«Такую систему сможет позволить себе даже небольшой городок. И тогда отпадёт необходимость везти органические пищевые отходы на далеко расположенные огромные перерабатывающие предприятия», — утверждает Ли.

В ближайших планах исследователей — дальнейшее развитие и выход на рынок «чистых» технологий. Они уверены, что этот процесс займёт не более четырёх-пяти лет.

По оценкам учёных, в течение года каждый человек производит сотни килограммов пищевых отходов. Большая часть выброшенной еды, очистков и прочего биомусора отправляется на свалки. Ежегодный мировой ущерб такого загрязнения оценивается специалистами в $1,3 трлн.

Бактерия на натриевых батарейках


Ученые из МГУ в составе международной группы ученых при изучении бактерий открыли механизм, сходный с принципом работы натрий-ионных аккумуляторов.


Некоторое время назад в природных гиперщелочных гиперсоленых озерах была обнаружена жизнь микроорганизмов. Как такие микробы приспособились обепечивать себя энергией, было настоящей загадкой. Ученые, опубликовавшие открытие, разгадали один из механизмов, обеспечивающих энергией представителей такого микромира — бактерии Thioalkalivibrio versutus, обитающие в засоленных озерах Тувы (Сибирь, Россия). Оказалось, что недавно изобретенные человеком натрий-ионные аккумуляторы, высокий КПД которых стал основанием для самых радужных надежд, вовсе не новинка. Разгадка принципа работы энергопреобразующего фермента под названием цитохром с-оксидаза у Thioalkalivibrio versutus показала: природа давно научилась использовать ионы натрия для получения энергии.


Группу исследователей, совершивших открытие, возглавляли сотрудники отдела биоэнергетики НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова Мария Мунтян, Дмитрий Черепанов и Владимир Скулачев. Ученые занимались изучением цитохром с-оксидаз, участвующих в транспортировке положительных ионов в мембране бактерий. Посвященная описанию изысканий статья опубликована в научном журнале PNAS.


«Открыт принципиально новый преобразователь биологической энергии в живых организмах — натриевая цитохромоксидаза. Это разновидность главного фермента кислородного дыхания, цитохромоксидазы, которая в процессе дыхания потребляет кислород, восстанавливая его до воды», — рассказала первый автор опубликованной работы Мария Мунтян.


По ее словам, новизна фермента состоит в том, что он превращает энергию реакции дыхания в энергию градиента ионов натрия, перекачиваемых через мембрану, а не ионов водорода, как это было известно до сих пор для цитохромоксидаз.


Реакции дыхания у эукариот (организмов с ядром) проходят во внутренней мембране специальных органоидов клетки — митохондриях. Митохондрию часто называют внутриклеточной энергетической станцией. В ней питательные вещества как бы «сгорают», окисляясь кислородом воздуха. На выходе, как и в настоящих тепловых электростанциях, получаются молекулы воды, образующиеся при горении, и энергия.


У прокариот – безъядерных организмов, к которым и относится изучаемая в статье бактерия, — митохондрий нет, поэтому аналогичные реакции происходят у них в цитоплазматической мембране, которая частично несет те же функции, что и мембрана митохондрий. Реакции дыхания в мембранах катализирует дыхательная цепь, которая в общем случае состоит из четырех звеньев (или комплексов), и цитохром с-оксидаза является катализатором в последнем из них.


Цитохром с-оксидаза — один из главных преобразователей энергии в дыхательной цепи большинства аэробов – организмов, привыкших жить в среде богатой кислородом, который они используют для добывания энергии. Одна из разновидностей цитохромоксидаз, оксидаза сbb3-типа, часто встречающаяся у патогенных микроорганизмов, изучена очень мало. Именно к этому типу принадлежит только что открытая натриевая цитохромоксидаза, которая по первичной структуре оказалась высокогомологичной уже изученным протонным ферментам этого типа. Благодаря доступности структурного «портрета» протонного гомолога, полученного с помощью рентгенной кристаллографии, ученым удалось пролить свет на механизм работы натриевой цитохромоксидазы.


Но заслуга исследователей состоит не только в самом открытии: им удалось найти и прямое экспериментальное доказательство перекачки натрия цитохром с-оксидазой через мембрану и обнаружить признаки присутствия в ферменте натриевого канала.


Ученые сравнивали потребление кислорода и работу дыхательной цепи у целых клеток бактерии Thioalkalivibrio versutus и приготовленных из нее везикул (мембранных пузырьков) в различных средах. В качестве контроля использовались штаммы бактерий Rhodobacter sphaeroides и Paracoccus denitrificans, цитохромоксидазы которых используют для работы ионы водорода. В результате была обнаружена связь между присутствием натрия в среде и активностью новой цитохром с-оксидазы.


По словам Марии Мунтян, в работе было использовано более 20 различных методов и подходов биохимии, молекулярной биологии, биофизики и микробиологии. Среди них как известные, так и уникальные экспериментальные методы. Кроме того, применялись теоретические подходы с привлечением молекулярного конструирования, моделирования и молекулярно-динамических расчетов.


«Также нами проведены моделирование и молекулярно-динамические расчеты, позволившие предсказать структуру и функциональную активность натриевого канала в ферменте», — уточнила Мария Мунтян.


В перспективе ученые намерены продолжать изучение обнаруженного канала, по которому, согласно полученным данным, ионы натрия должны перекачиваться с одной стороны мембраны на другую для того, чтобы запасти энергию окислительно-восстановительной реакции в ходе дыхания в виде энергии градиента ионов натрия на мембране.


На фото: Модель натрийперекачивающей цитохромоксидазы в цитоплазматической мембране щелочелюбивой бактерии. Субъединицы фермента обозначены цветом: главная — синим, две вспомогательные — оранжевым и розовым. Электроны (e) от природных доноров последовательно передаются через кофакторы — три гема c, расположенные на вспомогательных субъединицах, затем гемы b и b3 и медь CuB главной субъединицы — на кислород. За счет этой окислительно-восстановительной реакции образуется вода H2O), а ионы натрия (Na+) перекачиваются из цитоплазмы клетки наружу. Как и в настоящей батарейке, на мембране при работе цитохромоксидазы генерируется разность электрохимических потенциалов ионов Na+. С правой стороны рисунка знаками «+» и «-» в кружках показано, как заряжается мембрана. © 2015. М.С. Мунтян.

Какими тремя способами бактерии добывают пищу?

  1. Первый способ получения пищи бактериями — фотосинтез. Как и растения, многие бактерии содержат хлоропласты или сине-зеленые пигменты, что означает, что они могут фотосинтезировать и, таким образом, создавать себе пищу, поглощая солнечный свет. Поскольку эти бактерии могут создавать свою собственную энергию, они классифицируются как автотрофы.

  2. Второй способ получения бактериями пищи — это хемосинтез, который бывает двух типов: автотрофный хемосинтез и гетеротрофный хемосинтез.

Хемотропные автотрофы — это бактерии, которые получают энергию, расщепляя неорганические молекулы и химические соединения в окружающей среде, такие как сульфиды или аммиак, и играют важную роль в круговороте азота в экосистеме.

Хемотрофные гетеротрофы или деструкторы — это бактерии, которые получают энергию за счет расщепления органических веществ. Сюда входят отходы, мертвые органические вещества и другие органические соединения. Эти бактерии жизненно важны для обеспечения того, чтобы определенные элементы и минералы циркулировали в экосистеме, чтобы жизнь могла продолжаться.

  1. Третий способ получения пищи бактериями — симбиоз, который бывает трех типов: мутуализм, комменсализм и паразитизм.

Мутуализм — это когда два вида существуют в отношениях, выгодных для обоих. Примером этого являются отношения между людьми и кишечными бактериями. Кишечные бактерии гарантируют, что мы способны эффективно переваривать пищу, а взамен они получают постоянное количество материала, которое они могут проглотить.

Комменсализм — это когда два вида существуют в отношениях, при которых один вид получает выгоду, а другой вид не затрагивается.Примером этого является взаимосвязь между людьми и кожными бактериями. Эти бактерии поедают наши омертвевшие клетки кожи и кожный жир, получая энергию, в то время как мы остаемся незатронутыми.
http://www.encyclopedia.com/science/news-wires-white-papers-and-books/human-commensal-and-mutual-organisms

Паразитизм — это когда два вида существуют во взаимоотношениях, при которых один вид получает выгоду за счет другого вида. Примером этого являются отношения между холерой и людьми. Холера заражает людей и начинает размножаться, используя нас в качестве хозяина, в то время как у людей развиваются диарея, рвота и потенциальная смерть, если не лечить.
http://sciencing.com/types-bacteria-parasites-8470244.html

https://www.ck12.org/book/CK-12-Life-Science-Concepts-For-Middle-School/section/5.2/

Типы метаболизма | Безграничная микробиология

Фотоавтотрофы и фотогетеротрофы

Фотоавтотрофы и фотогетеротрофы — это организмы, которые используют свет как источник энергии для осуществления клеточных процессов.

Цели обучения

Отличие фотоавтотрофов от фотогетеротрофов

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Фототрофы — это организмы, которые захватывают фотоны для получения энергии.
  • Фотоавтотрофы превращают неорганические материалы в органические для использования в клеточных функциях, таких как биосинтез и дыхание, и обеспечивают питание для многих других форм жизни.
  • Источником энергии для фотогетеротрофов является свет, а источником углерода в основном являются органические соединения из окружающей среды.
Ключевые термины
  • АТФ-синтаза : важный фермент, катализирующий превращение аденозиндифосфата в аденозинтрифосфат.
  • фотосинтез : Процесс, с помощью которого растения и другие фотоавтотрофы производят углеводы и кислород из углекислого газа, воды и световой энергии в хлоропластах.

Фототрофы — это организмы, которые используют свет в качестве источника энергии для производства АТФ и выполнения различных клеточных процессов. Не все фототрофы фотосинтезируют, но все они являются источником пищи для гетеротрофных организмов. Все фототрофы используют либо цепь переноса электронов, либо прямую протонную накачку, чтобы установить электрохимический градиент, используемый АТФ-синтазой для обеспечения молекулярной энергии клетке.Фототрофы могут быть двух типов в зависимости от их метаболизма.

Типы микробного метаболизма : Блок-схема, обобщающая типы микробного метаболизма.

Фотоавтотрофы

Автотроф — это организм, способный добывать себе пищу. Фотоавтотрофы — это организмы, осуществляющие фотосинтез. Используя энергию солнечного света, углекислый газ и вода превращаются в органические материалы, которые используются в клеточных функциях, таких как биосинтез и дыхание.В экологическом контексте они обеспечивают питание для всех других форм жизни (помимо других автотрофов, таких как хемотрофы). В наземной среде растения являются преобладающим разнообразием, в то время как водная среда включает ряд фототрофных организмов, таких как водоросли, простейшие и бактерии. В фотосинтезирующих бактериях и цианобактериях, которые накапливают углекислый газ и воду в органических клеточных материалах, используя энергию солнечного света, в качестве конечного продукта вырабатывается крахмал. Этот процесс является важной формой хранения углерода, которую можно использовать, когда условия освещения слишком плохи, чтобы удовлетворить насущные потребности организма.

Фотогетеротрофы

Гетеротроф — это организм, питание которого зависит от органического вещества, уже произведенного другими организмами. Фотогетеротрофы получают энергию из солнечного света, а углерод — из органических материалов, а не из углекислого газа. Большинство известных фототрофов являются автотрофами, также известными как фотоавтотрофы, и могут фиксировать углерод. Их можно противопоставить хемотрофам, которые получают свою энергию путем окисления доноров электронов в окружающей их среде.Фотогетеротрофы производят АТФ посредством фотофосфорилирования, но используют органические соединения, полученные из окружающей среды, для создания структур и других биомолекул. Фотоавтотрофные организмы иногда называют голофитными.

Хемоавтотрофы и хемогетеротрофы

Хемоавтотрофы и хемогетеротрофы готовят пищу, используя химическую энергию, а не солнечную энергию.

Цели обучения

Сравнить хемоавтотрофы и хемогетеротрофы

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Хемотрофы — это организмы, которые получают энергию за счет окисления доноров электронов в окружающей их среде.
  • Хемоавтотрофы используют неорганические источники энергии для синтеза органических соединений из углекислого газа.
  • Хемогетеротрофы не могут использовать диоксид углерода для образования собственных органических соединений. Их источник углерода скорее состоит из серы, углеводов, липидов и белков.
Ключевые термины
  • неорганическая молекула : отсутствуют атомы углерода и водорода.

Хемотрофы — это класс организмов, которые получают энергию в результате окисления неорганических молекул, таких как железо и магний.Наиболее распространенным типом хемотрофных организмов являются прокариотические организмы, включающие как бактерии, так и грибы. Всем этим организмам необходим углерод для выживания и воспроизводства. Способность хемотрофов производить собственные органические или углеродсодержащие молекулы разделяет эти организмы на две разные классификации — хемоавтотрофов и хемогетеротрофов.

Взаимодействие организмов и окружающей среды на водно-болотных угодьях : источники энергии и углерода для каждого трофического уровня.

Хемоавтотрофы

Хемоавтотрофы способны синтезировать собственные органические молекулы за счет фиксации углекислого газа.Эти организмы способны производить собственный источник пищи или энергии. Энергия, необходимая для этого процесса, происходит от окисления неорганических молекул, таких как железо, сера или магний. Хемоавтотрофы могут процветать в очень суровых условиях, таких как глубоководные жерла, из-за отсутствия зависимости от внешних источников углерода, кроме углекислого газа. Хемоавтотрофы включают азотфиксирующие бактерии, расположенные в почве, бактерии, окисляющие железо, расположенные в слоях лавы, и бактерии, окисляющие серу, расположенные в глубоководных термальных источниках.

Хемогетеротрофы

Хемогетеротрофы, в отличие от хемоавтотрофов, не могут синтезировать собственные органические молекулы. Вместо этого эти организмы должны поглощать предварительно сформированные молекулы углерода, такие как углеводы и липиды, синтезированные другими организмами. Однако они все еще получают энергию от окисления неорганических молекул, таких как хемоавтотрофы. Хемогетеротрофы могут процветать только в среде, способной поддерживать другие формы жизни, из-за их зависимости от этих организмов в качестве источников углерода.Хемогетеротрофы являются наиболее распространенным типом хемотрофных организмов и включают большинство бактерий, грибов и простейших.

Энергия, вещества и ферменты — Микробиология

Цели обучения

  • Определить и описать метаболизм
  • Сравнить и сопоставить автотрофы и гетеротрофы
  • Опишите важность окислительно-восстановительных реакций в метаболизме
  • Опишите, почему ATP, FAD, NAD + и NADP + важны в ячейке
  • Определить структуру и структурные компоненты фермента
  • Опишите различия между конкурентными и неконкурентными ингибиторами ферментов

Клиническая специализация: Алекс, часть 1

Алекс — 15-месячный мальчик из штата Вашингтон.Он проводит лето в Гамбии, где его родители работают в неправительственной организации. Примерно через 3 недели после их прибытия в Гамбию аппетит Алекса начал уменьшаться, и его родители заметили, что он выглядел необычайно вялым, усталым и сбитым с толку. Он также казался очень раздражительным, когда был на улице, особенно днем. Когда у него началась рвота, его родители решили, что он заразился 24-часовым вирусом, но, когда симптомы не исчезли, они отвезли его в клинику. Местный врач заметил, что рефлексы Алекса казались ненормально медленными, и когда она осмотрела его глаза с помощью света, они казались необычно чувствительными к свету.У Алекс тоже, похоже, затекла шея.

  • Каковы возможные причины симптомов Алекса?

Мы вернемся к примеру Алекса на следующих страницах.

Термин, используемый для описания всех химических реакций внутри клетки, — это метаболизм (рис. 1). Клеточные процессы, такие как построение или разрушение сложных молекул, происходят через серию ступенчатых взаимосвязанных химических реакций, называемых метаболическими путями .Спонтанные реакции с высвобождением энергии — это экзергонических реакций, , тогда как эндергонических реакций требуют энергии для протекания. Термин анаболизм относится к тем эндергоническим метаболическим путям, которые участвуют в биосинтезе , превращая простые молекулярные строительные блоки в более сложные молекулы и подпитываемые использованием клеточной энергии. Напротив, термин катаболизм относится к экзергоническим путям, которые расщепляют сложные молекулы на более простые.Молекулярная энергия, хранящаяся в связях сложных молекул, высвобождается в катаболических путях и собирается таким образом, что ее можно использовать для производства высокоэнергетических молекул, которые используются для управления анаболическими путями. Таким образом, с точки зрения энергии и молекул, клетки постоянно уравновешивают катаболизм и анаболизм.

Рисунок 1. Метаболизм включает катаболизм и анаболизм. Анаболические пути требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Катаболические пути генерируют энергию, разрушая более крупные молекулы.Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Классификация по углеродным источникам и источникам энергии

Организмы можно идентифицировать по источнику углерода, который они используют для обмена веществ, а также по источнику энергии. Приставки авто- («я») и гетеро- («другой») относятся к происхождению источников углерода, которые могут использовать различные организмы. Организмы, которые превращают неорганический диоксид углерода (CO 2 ) в органические соединения углерода, являются автотрофами .Растения и цианобактерии — хорошо известные примеры автотрофов. И наоборот, гетеротрофов полагаются на более сложные органические углеродные соединения в качестве питательных веществ; они предоставляются им изначально автотрофами. Многие организмы, от людей до многих прокариот, включая хорошо изученную Escherichia coli , являются гетеротрофными.

Организмы можно также идентифицировать по используемому ими источнику энергии. Вся энергия происходит за счет передачи электронов, но источник электронов различается у разных типов организмов.Приставки фото- («свет») и химио- («химический») относятся к источникам энергии, которые используют различные организмы. Те, кто получает свою энергию для переноса электрона от света, — это фототрофов , тогда как хемотрофов получают энергию для переноса электронов, разрывая химические связи. Существует два типа хемотрофов: органотрофов и литотрофов . Органотрофы, в том числе люди, грибы и многие прокариоты, являются хемотрофами, которые получают энергию из органических соединений.Литотрофы («лито» означает «горная порода») — это хемотрофы, которые получают энергию от неорганических соединений, включая сероводород (H 2 S) и восстановленное железо. Литотрофия уникальна для мира микробов.

Стратегии, используемые для получения углерода и энергии, можно комбинировать для классификации организмов по типу питания. Большинство организмов являются хемогетеротрофами , потому что они используют органические молекулы как источники электронов и углерода. Таблица 1 суммирует эту и другие классификации.

Таблица 1. Классификация организмов по энергии и источнику углерода
Классификации Источник энергии Источник углерода Примеры
Хемотрофы Хемоавтотрофы Химическая промышленность Неорганическое Бактерии, окисляющие водород, серу, железо, азот и оксид углерода
Хемогетеротрофы Химическая промышленность Органические соединения Все животные, большинство грибов, простейших и бактерий
Фототрофы Фотоавтотрофы Свет Неорганическое Все растения, водоросли, цианобактерии, зеленые и пурпурные серные бактерии
Фотогетеротрофы Свет Органические соединения Зеленые и пурпурные несерные бактерии, гелиобактерии

Подумай об этом

  • Объясните разницу между катаболизмом и анаболизмом.
  • Объясните разницу между автотрофами и гетеротрофами.

Окисление и снижение метаболизма

Передача электронов между молекулами важна, потому что большая часть энергии, хранящейся в атомах и используемой для работы топливных элементов, находится в форме высокоэнергетических электронов. Передача энергии в виде электронов позволяет клетке постепенно передавать и использовать энергию; то есть небольшими пакетами, а не единичным разрушительным взрывом. Реакции, которые удаляют электроны из донорных молекул, оставляя их окисленными, это реакции окисления ; те, которые добавляют электроны к молекулам акцептора, оставляя их восстановленными, — это реакций восстановления .Поскольку электроны могут переходить от одной молекулы к другой, окисление и восстановление происходят в тандеме. Эти пары реакций называются окислительно-восстановительными реакциями, или окислительно-восстановительными реакциями, .

Энергоносители: NAD

+ , NADP + , FAD и ATP

Энергия, выделяющаяся при разрыве химических связей в питательных веществах, может храниться либо за счет восстановления переносчиков электронов, либо в связях аденозинтрифосфата (АТФ) .В живых системах небольшой класс соединений функционирует как мобильные носители электронов, , молекулы, которые связываются и перемещают электроны высокой энергии между соединениями по путям. Основные переносчики электронов, которые мы будем рассматривать, происходят из группы витаминов B и являются производными нуклеотидов; это никотинамидадениндинуклеотид , никотинадениндинуклеотидфосфат и флавинадениндинуклеотид . Эти соединения можно легко восстановить или окислить.Никотинамидадениндинуклеотид ( NAD + / NADH ) является наиболее распространенным переносчиком мобильных электронов, используемым при катаболизме. NAD + — окисленная форма молекулы; НАДН — это восстановленная форма молекулы. Никотинадениндинуклеотидфосфат ( NADP + ), окисленная форма варианта NAD + , который содержит дополнительную фосфатную группу, является еще одним важным переносчиком электронов; при восстановлении образует НАДФН . Окисленная форма флавинадениндинуклеотида — FAD , а его восстановленная форма — FADH 2 .И NAD + / NADH, и FAD / FADH 2 широко используются для извлечения энергии из сахаров во время катаболизма у хемогетеротрофов , тогда как NADP + / NADPH играет важную роль в анаболических реакциях и фотосинтезе . В совокупности FADH , 2, , NADH и NADPH часто упоминаются как обладающие понижающей способностью из-за их способности отдавать электроны в различные химические реакции.

Живая клетка должна быть способна обрабатывать энергию, выделяемую во время катаболизма, таким образом, чтобы клетка могла безопасно хранить энергию и высвобождать ее для использования только по мере необходимости.Живые клетки достигают этого с помощью соединения аденозинтрифосфата (АТФ) . АТФ часто называют «энергетической валютой» клетки, и, как и валюта, это универсальное соединение можно использовать для удовлетворения любых энергетических потребностей клетки. В основе АТФ лежит молекула аденозинмонофосфата (AMP) , которая состоит из молекулы аденина, связанной с молекулой рибозы, и одной фосфатной группы. Рибоза — это пятиуглеродный сахар, содержащийся в РНК, а АМФ — один из нуклеотидов в РНК.Добавление второй фосфатной группы к этой основной молекуле приводит к образованию аденозиндифосфата (ADP) ; добавление третьей фосфатной группы образует АТФ (рис. 2).

Рисунок 2. Энергия, выделяемая при дефосфорилировании АТФ, используется для управления клеточной работой, включая анаболические пути. АТФ регенерируется путем фосфорилирования, используя энергию, содержащуюся в химических веществах или солнечном свете. (кредит: модификация работы Роберта Беара, Дэвида Ринтула)

Добавление фосфатной группы к молекуле, процесс, называемый фосфорилированием , требует энергии.Фосфатные группы заряжены отрицательно и, таким образом, отталкиваются друг от друга, когда они расположены последовательно, как в АДФ и АТФ. Это отталкивание делает молекулы АДФ и АТФ нестабильными по своей природе. Таким образом, связи между фосфатными группами (одна в АДФ и две в АТФ) называются высокоэнергетическими фосфатными связями . Когда эти высокоэнергетические связи разрываются с высвобождением одного фосфата (называемого неорганическим фосфатом [P i ] ) или двух связанных фосфатных групп (называемого пирофосфатом [PP i ] ) из АТФ посредством процесса, называемого дефосфорилированием , энергия высвобождается для запуска эндергонических реакций (рис. 3).

Рис. 3. Экзергонические реакции сочетаются с эндергоническими, что делает комбинацию благоприятной. Здесь эндергоническая реакция фосфорилирования АТФ сочетается с экзергонической реакцией катаболизма. Точно так же экзэргоническая реакция дефосфорилирования АТФ сочетается с эндергонической реакцией образования полипептида, примером анаболизма.

Подумай об этом

  • Какова функция электронного носителя?

Структура и функции фермента

Вещество, ускоряющее химическую реакцию, — это катализатор .Катализаторы не используются и не меняются во время химических реакций, поэтому их можно использовать повторно. В то время как неорганические молекулы могут служить катализаторами широкого спектра химических реакций, белки, называемые ферментами , служат катализаторами биохимических реакций внутри клеток. Таким образом, ферменты играют важную роль в контроле клеточного метаболизма.

Рисунок 4. Ферменты снижают энергию активации химической реакции.

Фермент действует за счет снижения энергии активации химической реакции внутри клетки.Энергия активации — это энергия, необходимая для образования или разрыва химических связей и преобразования реагентов в продукты (рис. 4). Ферменты снижают энергию активации, связываясь с молекулами реагентов и удерживая их таким образом, чтобы ускорить реакцию.

Химические реагенты, с которыми связывается фермент, называются субстратами , а место внутри фермента, где субстрат связывается, называется активным центром фермента . Характеристики аминокислот рядом с активным сайтом создают очень специфическую химическую среду внутри активного сайта, которая вызывает способность связываться, хотя и кратковременно, с конкретным субстратом (или субстратами).Благодаря этому подобию головоломки между ферментом и его субстратом, ферменты известны своей специфичностью. Фактически, когда фермент связывается со своим субстратом (субстратами), структура фермента слегка изменяется, чтобы найти наилучшее соответствие между переходным состоянием (структурное промежуточное звено между субстратом и продуктом) и активным центром, так же, как резиновая перчатка формируется для в него вставлена ​​рука. Эта модификация активного центра в присутствии субстрата, наряду с одновременным образованием переходного состояния, называется индуцированной подгонкой (рис. 5).В целом, существует специально подобранный фермент для каждого субстрата и, следовательно, для каждой химической реакции; однако есть и некоторая гибкость. Некоторые ферменты обладают способностью действовать на несколько различных структурно связанных субстратов.

Фиг.5. Согласно модели индуцированной подгонки, активный центр фермента претерпевает конформационные изменения при связывании с субстратом.

Ферменты подвержены влиянию местных условий окружающей среды, таких как pH, концентрация субстрата и температура.Хотя повышение температуры окружающей среды обычно увеличивает скорость реакции, катализируемую ферментом или иным образом, повышение или понижение температуры за пределами оптимального диапазона может повлиять на химические связи в активном центре, делая их менее подходящими для связывания субстратов. Высокие температуры в конечном итоге заставят ферменты, как и другие биологические молекулы, денатурировать, теряя свою трехмерную структуру и функцию. Ферменты также подходят для наилучшего функционирования в определенном диапазоне pH, и, как и в случае с температурой, экстремальные значения pH окружающей среды (кислотные или щелочные) могут вызвать денатурацию ферментов.Аминокислотные боковые цепи активного центра обладают собственными кислотными или основными свойствами, которые оптимальны для катализа и, следовательно, чувствительны к изменениям pH.

Другим фактором, влияющим на активность фермента, является концентрация субстрата: активность фермента увеличивается при более высоких концентрациях субстрата, пока не достигнет точки насыщения, при которой фермент не может связывать дополнительный субстрат. В целом, ферменты оптимизированы для наилучшей работы в тех условиях окружающей среды, в которых живут организмы, которые их производят.Например, в то время как микробы, обитающие в горячих источниках, содержат ферменты, которые лучше всего работают при высоких температурах, у патогенов человека есть ферменты, которые лучше всего работают при 37 ° C. Точно так же, хотя ферменты, продуцируемые большинством организмов, лучше всего работают при нейтральном pH, микробы, растущие в кислой среде, делают ферменты оптимизированными для условий низкого pH, что позволяет им расти в этих условиях.

Многие ферменты не работают оптимально или даже не работают, если они не связаны с другими специфическими небелковыми вспомогательными молекулами, либо временно посредством ионных или водородных связей, либо постоянно через более сильные ковалентные связи.Связывание с этими молекулами способствует оптимальной конформации и функционированию соответствующих ферментов. Двумя типами вспомогательных молекул являются кофакторы и коферменты . Кофакторы — это неорганические ионы, такие как железо (Fe 2+ ) и магний (Mg 2+ ), которые помогают стабилизировать конформацию и функцию ферментов. Одним из примеров фермента, которому в качестве кофактора требуется ион металла, является фермент, который строит молекулы ДНК, ДНК-полимераза, для функционирования которой требуется связанный ион цинка (Zn 2+ ).

Коферменты — это органические вспомогательные молекулы, необходимые для действия ферментов. Как и ферменты, они не потребляются и, следовательно, могут использоваться повторно. Наиболее распространенными источниками коферментов являются диетические витамины. Некоторые витамины являются предшественниками коферментов, а другие действуют непосредственно как коферменты.

Некоторые кофакторы и коферменты, такие как кофермент А (КоА) , часто связываются с активным центром фермента , помогая в химии перехода субстрата в продукт (рис. 6).В таких случаях фермент, в котором отсутствует необходимый кофактор или кофермент, называется апоферментом и является неактивным. И наоборот, фермент с необходимым ассоциированным кофактором или коферментом называется холоэнзимом и является активным. НАДН и АТФ также являются примерами обычно используемых коферментов, которые обеспечивают электроны высокой энергии или фосфатных групп , соответственно, которые связываются с ферментами, тем самым активируя их.

Рисунок 6. Связывание кофермента или кофактора с апоферментом часто требуется для образования активного холофермента.

Подумай об этом

  • Какую роль играют ферменты в химической реакции?

Ингибиторы ферментов

Ферменты можно регулировать способами, которые либо способствуют, либо снижают их активность. Существует множество различных типов молекул, которые ингибируют или стимулируют функцию ферментов, и для этого существуют различные механизмы (рис. 7). Конкурентный ингибитор представляет собой молекулу, достаточно похожую на субстрат, чтобы она могла конкурировать с субстратом за связывание с активным сайтом, просто блокируя связывание субстрата.Чтобы конкурентный ингибитор был эффективным, его концентрация должна быть приблизительно равна концентрации субстрата. Препараты сульфамида — хороший пример конкурентной конкуренции. Они используются для лечения бактериальных инфекций, поскольку связываются с активным участком фермента в пути синтеза бактериальной фолиевой кислоты. При наличии в достаточной дозе сульфамидный препарат предотвращает синтез фолиевой кислоты, и бактерии не могут расти, потому что они не могут синтезировать ДНК, РНК и белки.На людей это не влияет, потому что мы получаем фолиевую кислоту из своего рациона.

Фигура 7. Активность фермента может регулироваться либо конкурентными ингибиторами, которые связываются с активным сайтом, либо неконкурентными ингибиторами, которые связываются с аллостерическим сайтом.

С другой стороны, неконкурентный (аллостерический) ингибитор связывается с ферментом в аллостерическом сайте , месте, отличном от активного сайта, и все же блокирует связывание субстрата с активным сайтом, вызывая конформационные изменения, которые снижает сродство фермента к его субстрату (рис. 8).Поскольку для эффективного ингибирования на фермент требуется только одна молекула ингибитора, концентрация ингибиторов, необходимая для неконкурентного ингибирования, обычно намного ниже, чем концентрация субстрата.

В дополнение к аллостерическим ингибиторам существует аллостерических активаторов , которые связываются с участками фермента, удаленными от активного центра, вызывая конформационные изменения, которые увеличивают сродство активного сайта (ов) фермента к его субстрату (субстратам).

Аллостерический контроль — важный механизм регуляции метаболических путей, участвующих как в катаболизме, так и в анаболизме.Наиболее эффективным и элегантным образом клетки эволюционировали, чтобы также использовать продукты своих собственных метаболических реакций для ингибирования активности ферментов с обратной связью. Подавление обратной связи включает использование продукта метаболического пути для регулирования его собственного дальнейшего производства. Клетка реагирует на обилие определенных продуктов замедлением производства во время анаболических или катаболических реакций (рис. 8).

Рисунок 8. Щелкните, чтобы просмотреть увеличенное изображение. (а) Связывание аллостерического ингибитора снижает активность фермента, но связывание аллостерического активатора увеличивает активность фермента.(b) Ингибирование обратной связи, когда конечный продукт пути служит неконкурентным ингибитором фермента на ранней стадии пути, является важным механизмом аллостерической регуляции в клетках.

Подумай об этом

  • Объясните разницу между конкурентным ингибитором и неконкурентным ингибитором.

Основные понятия и краткое изложение

  • Метаболизм включает химические реакции, которые разрушают сложные молекулы ( катаболизм ) и те, которые создают сложные молекулы ( анаболизм ).
  • Организмы можно классифицировать по источнику углерода. Автотрофы превращают неорганический диоксид углерода в органический углерод; Гетеротрофы используют фиксированные органические соединения углерода.
  • Организмы можно также классифицировать по их источнику энергии. Фототрофы получают энергию от света. Хемотрофы получают энергию из химических соединений. Органотрофы используют органические молекулы, а литотрофы используют неорганические химические вещества.
  • Сотовые носители электронов принимают высокоэнергетические электроны от пищевых продуктов и позже служат донорами электронов в последующих окислительно-восстановительных реакциях . FAD / FADH 2 , NAD + / NADH , и NADP + / NADPH являются важными переносчиками электронов.
  • Аденозинтрифосфат (АТФ) служит энергетической валютой клетки, надежно сохраняя химическую энергию в двух высокоэнергетических фосфатных связях для дальнейшего использования в процессах, требующих энергии.
  • Ферменты — это биологические катализаторы , которые увеличивают скорость химических реакций внутри клеток за счет снижения энергии активации, необходимой для протекания реакции.
  • В природе экзергонические реакции не требуют энергии, помимо энергии активации, для протекания, и они высвобождают энергию. Они могут протекать без ферментов, но медленно. И наоборот, для протекания эндергонических реакций требуется энергия, превышающая энергию активации. В клетках эндергонические реакции сочетаются с экзэргоническими реакциями, что делает комбинацию энергетически выгодной.
  • Субстраты связываются с активным сайтом фермента . Этот процесс обычно изменяет структуры как активного центра, так и субстрата, способствуя образованию переходного состояния; это известно как индуцированная посадка .
  • Кофакторы — это неорганические ионы, которые стабилизируют конформацию и функцию фермента. Коэнзимы — это органические молекулы, необходимые для правильного функционирования ферментов, часто получаемые из витаминов. Фермент, лишенный кофактора или кофермента, представляет собой апофермент ; фермент со связанным кофактором или коферментом — это холофермент .
  • Конкурентные ингибиторы регулируют ферменты путем связывания с активным центром фермента, предотвращая связывание субстрата. Неконкурентные (аллостерические) ингибиторы связываются с аллостерическими сайтами , вызывая конформационное изменение фермента, которое препятствует его функционированию. Ингибирование обратной связи происходит, когда продукт метаболического пути неконкурентно связывается с ферментом на ранней стадии этого пути, в конечном итоге предотвращая синтез продукта.

Множественный выбор

Что из перечисленного представляет собой организм, который получает свою энергию от передачи электронов, исходящих от химических соединений, и его углерода от неорганического источника?

  1. хемоавтотроф
  2. хемогетеротроф
  3. фотогетеротроф
  4. фотоавтотроф

[показать-ответ q = ”276158 ″] Показать ответ [/ раскрыть-ответ]
[скрытый-ответ a =” 276158 ″] Ответ b. Хемоавтотроф — это организм, который получает энергию от передачи электронов, исходящих от химических соединений, и углерода от неорганического источника.[/ hidden-answer]

Какая из следующих молекул восстанавливается?

  1. NAD +
  2. FAD
  3. О 2
  4. НАДФ

[показать-ответ q = ”64295 ″] Показать ответ [/ показать-ответ]
[скрытый-ответ a =” 64295 ″] Ответ d. НАДФН снижен. [/ Hidden-answer]

Какие из перечисленных ниже ферментов действуют?

  1. увеличение энергии активации
  2. снижение энергии активации
  3. проведение экзергонических реакций, эндергонических
  4. проведение эндергонических реакций экзергонических

[показать-ответ q = ”318568 ″] Показать ответ [/ показать-ответ]
[скрытый-ответ a =” 318568 ″] Ответ b.Ферменты работают за счет снижения энергии активации. [/ Hidden-answer]

На что из перечисленного конкурентный ингибитор больше всего похож по структуре?

  1. активный сайт
  2. аллостерический сайт
  3. подложка
  4. кофермент

[показать-ответ q = ”92051 ″] Показать ответ [/ показать-ответ]
[скрытый-ответ a =” 92051 ″] Ответ c. Конкурентный ингибитор структурно больше всего напоминает субстрат. [/ Hidden-answer]

Какие из перечисленных органических молекул помогают ферментам правильно работать?

  1. кофакторы
  2. коферментов
  3. холоферментов
  4. апоферментов

[показать-ответ q = ”153892 ″] Показать ответ [/ показать-ответ]
[скрытый-ответ a =” 153892 ″] Ответ b.Коферменты — это органические молекулы, которые помогают ферментам правильно работать. [/ Hidden-answer]

Заполните бланк

Процессы, в которых клеточная энергия используется для создания сложных молекул из более простых, описываются как ________.

[show-answer q = ”377257 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 377257 ″] Процессы, в которых энергия клеток используется для создания сложных молекул из более простых, описываются как анаболические . [/ hidden-answer]

Потеря электрона молекулой называется ________.

[Показать-ответ q = ”715027 ″] Показать ответ [/ Показать-ответ]
[hidden-answer a =” 715027 ″] Потеря электрона из молекулы называется окислением . [/ Hidden-answer]

Часть фермента, с которой связывается субстрат, называется ________.

[show-answer q = ”43585 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 43585 ″] Часть фермента, с которой связывается субстрат, называется активным сайтом . [/ скрытый-ответ]

Верно / Неверно

Конкурентные ингибиторы связываются с аллостерическими сайтами.

[show-answer q = ”96953 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 96953 ″] Неверно [/ hidden-answer]

Подумай об этом

  1. Может ли реакция окисления происходить в клетках без реакции восстановления? Объяснять.
  2. Какова функция таких молекул, как NAD + / NADH и FAD / FADH 2 в клетках?

Микроорганизм — обзор | ScienceDirect Topics

3 ПИТАТЕЛЬНЫХ ТИПА МИКРОБОВ

Микробы можно сгруппировать по питательности на основе того, как они удовлетворяют свои потребности в углероде, энергии, электронах или водороде.Действительно, особые потребности микроорганизмов в питании используются для того, чтобы отличить один микроб от другого в таксономических целях.

Микроорганизмы можно сгруппировать по источникам энергии. Для микроорганизмов доступны два источника энергии. Микробы, которые окисляют химические соединения (органические или неорганические) для получения энергии, называются хемотрофами ; те, кто использует свет в качестве источника энергии, называются фототрофами. Комбинация этих терминов с теми, которые используются при описании использования углерода, приводит к следующим типам питания:

1.

Хемоавтотрофы : микробы, которые окисляют неорганические химические вещества в качестве источников энергии и диоксид углерода в качестве основного источника углерода.

2.

Хемогетеротрофы : микробы, использующие органические химические вещества в качестве источников энергии и органические соединения в качестве основного источника углерода.

3.

Фотоавтотрофы: микробы, которые используют свет в качестве источника энергии и углекислый газ в качестве основного источника углерода.

4.

Фотогетеротрофы: микробов, которые используют свет как источник энергии и органические соединения как основной источник углерода.

Микроорганизмы также имеют только два источника атомов или электронов водорода. Те, кто использует восстановленные неорганические вещества в качестве источника электронов, называются литотрофами. Микробы, которые получают электроны или атомы водорода (каждый атом водорода имеет один электрон) из органических соединений, называются органотрофами.

Комбинация вышеуказанных терминов описывает четыре питательных типа микроорганизмов:

1.

Фотолитотрофная автотрофия

2.

Фотоорганотрофная

9685

Хемолитотрофная автотрофия

4.

Хемоорганотрофная гетеротрофия.

Характеристики этих типов с репрезентативными микроорганизмами, а также других организмов показаны в таблице 1.2.

ТАБЛИЦА 1.2. Типы питания микробов и других организмов

Углеродистые соединения

Неорганические соединения , водородные, железные и серные бактерии

Тип питания Источник энергии Источник электронов или водорода Источник углерода

автотрофия

Свет Неорганические соединения, вода Углекислый газ Пурпурные и зеленые серные бактерии; водоросли; растения; цианобактерии
Фотоорганотрофная гетеротрофия Легкая Органические соединения Органические соединения Пурпурные и зеленые несодержащие серы бактерии
Хемолитотрофные автотрофные соединения
Химио-органотрофная гетеротрофия Органические соединения Органические соединения Органические соединения Большинство бактерий, грибов, простейших и животных

rotolithot 9017 фотоавтотрофы. Цианобактерии, водоросли и зеленые растения используют световую энергию и углекислый газ в качестве источника углерода, но в качестве донора электронов они используют воду и при этом выделяют кислород. Пурпурные и зеленые серные бактерии используют неорганические соединения в качестве доноров электронов (например, H 2 S, S 0 ) и не производят кислород в процессе. Таким образом, они описаны как аноксигенных. Хемоорганотрофные гетеротрофы также называются хемогетеротрофами. Они используют органические соединения для получения энергии, углерода и электронов / водорода.Одно и то же органическое питательное вещество часто удовлетворяет всем этим требованиям. Животные, большинство бактерий, грибов и простейших являются хемогетеротрофами. Фотоорганотрофные гетеротрофы также сокращенно называют фотогетеротрофами . Пурпурные и зеленые бактерии, не содержащие серы, являются фотогетеротрофами и используют лучистую энергию и органические соединения в качестве доноров электронов, водорода и углерода. Эти обычные микроорганизмы, обитающие в загрязненных озерах и ручьях, также могут расти как фотоавтотрофы с молекулярным водородом в качестве донора электронов.Хемолитотрофные автотрофы также кратко называют хемоавтотрофами . К ним относятся нитрифицирующие, водородные, железные и серные бактерии. Они окисляют восстановленные неорганические соединения, такие как молекулы азота, железа или серы, с получением энергии и электронов / водорода. В качестве источника углерода они используют углекислый газ. Однако некоторые из них могут использовать углерод из органических источников и, таким образом, стать гетеротрофными. Такие бактерии, которые используют в качестве источников углерода неорганические источники энергии и углекислый газ, а иногда и органические соединения, могут быть названы миксотрофными , поскольку они сочетают автотрофные и гетеротрофные процессы.Хемотрофы играют важную роль в превращениях элементов, таких как превращение аммиака в нитрат и серы в сульфат, которые постоянно происходят в природе.

Хотя определенный вид микроорганизмов обычно принадлежит только к одному из четырех типов питания, некоторые из них демонстрируют большую метаболическую гибкость и могут изменять свой тип питания в ответ на изменение окружающей среды. Например, многие пурпурные бактерии, не содержащие серы, являются фотогетеротрофами в отсутствие кислорода, но становятся хемогетеротрофами в присутствии кислорода.При низком уровне кислорода фотосинтез и окислительный метаболизм могут функционировать одновременно. Это дает бактериям преимущество в выживании при изменении условий окружающей среды.

Конкретные пищевые потребности бактерий широко используются в таксономических целях. Для определения характера загрязнения воды были разработаны специальные идентификационные тесты для определенных групп бактерий, таких как грамотрицательные кишечные палочки.

Как микробы генерируют и используют свою энергию для роста — ScienceDaily

Как клетки генерируют и используют энергию? Этот вопрос может показаться простым, но ответ далеко не прост.Кроме того, знание того, как фабрики микробных клеток потребляют энергию и как для этого распределяются белки, имеет решающее значение при работе с промышленными ферментациями.

Теперь исследователи показали, что можно вызвать сдвиг в метаболизме от ферментации к дыханию E. coli и пекарских дрожжей путем оптимизации условий ферментации. Этот сдвиг означает, что клетки могут вырабатывать больше внутренней энергии (АТФ).

«Эта информация может быть использована для разработки новых, улучшенных клеточных фабрик», — говорит автор-корреспондент, профессор Технологического университета Чалмерса, Швеция, и научный директор Центра биостойкости Novo Nordisk Foundation в DTU в Дании Йенс Нильсен.

Вместе с первым автором постдоком Ю Ченом из отдела биологии и биологической инженерии в Чалмерсе Йенс Нильсен изучил метаболизм E. coli и пекарских дрожжей с помощью математических моделей и биологических экспериментов. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Клетки постоянно генерируют высокоэнергетические молекулы, называемые АТФ, из сахара-глюкозы. АТФ — это клеточная «пища», потребляемая рабочими ферментами внутри клеток.Ферменты используют эту энергию для создания биомассы или выполнения другой клеточной работы. Чем больше доступно АТФ, тем лучше микробные рабочие лошадки справляются с ферментацией; по крайней мере, в принципе — играют роль и многие другие аспекты.

Используя вычислительный подход, исследователи обнаружили, что АТФ может генерироваться одним из двух путей: высокоэффективным респираторным путем, приводящим к 23,5 АТФ на молекулу глюкозы, или низкоэффективным ферментативным путем, который генерирует только 11 АТФ на молекулу глюкозы. .

Эти два пути дополняют друг друга, но исследователи смогли изменить естественный баланс между ними, изменив условия ферментации и количество доступного сахара и белка. Кроме того, они показали, что для высокоурожайного пути требуется больше белковой массы, чем для низкоурожайного пути для потребления глюкозы с той же скоростью.

Они также показали, что повышение эффективности некоторых ключевых ферментов означало, что клетки перешли от низкоурожайного ферментативного метаболизма к дыханию посредством высокопродуктивного респираторного метаболизма.

Этот сдвиг приводит к увеличению количества внутриклеточного АТФ, но также позволяет избежать накопления побочных продуктов ферментации; ацетат в E. coli и этанол в пекарских дрожжах.

«Эти побочные продукты нежелательны и снижают выход искомых молекул, которые вы хотите производить на своей клеточной фабрике», — говорит Йенс Нильсен.

Кроме того, исследователи показали, что клетки, работающие с максимальной эффективностью, фактически использовали оба пути, а не только высокоурожайный, и что большее количество доступных белков означало большую эффективность в данном пути.

Итак, решение для повышения эффективности ферментации клеток заключается не в выключении ферментативного пути, а скорее в выделении большего количества белка высокопродуктивному пути.

Исследователи подвергали микробы воздействию различных условий ферментации и не занимались геномной инженерией, чтобы вызвать эти изменения. Но в то же время их исследования показали, как можно изменить метаболизм клеток с помощью геномной инженерии, чтобы он стал более эффективным в будущих экспериментах.

История Источник:

Материалы предоставлены Датским техническим университетом . Оригинал написан Анне Вэрме Ликке, Андерсом Остерби Мёнстедом. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

питательных типов бактерий | Sciencing

Бактерии, как и все живые клетки, нуждаются в энергии и питательных веществах для построения белков и структурных мембран и управления биохимическими процессами. Бактериям необходимы источники углерода, азота, фосфора, железа и большого количества других молекул.Углерод, азот и вода используются в наибольших количествах. Потребности в питании бактерий можно сгруппировать по источнику углерода и источнику энергии. Некоторые виды бактерий должны потреблять предварительно сформированные органические молекулы для получения энергии, в то время как другие бактерии могут генерировать свою собственную энергию из неорганических источников.

Автотрофы и гетеротрофы

Некоторые бактерии получают энергию, потребляя органические молекулы. Эти организмы являются гетеротрофами, как животные и грибы, поедающие другие организмы.Другие типы бактерий сами производят пищу, преобразовывая световую энергию, химическую энергию или неорганические вещества в полезную энергию, которая необходима этим одноклеточным организмам для жизни. Эти самодельные бактерии являются автотрофами, как растения и водоросли.

Бактерии, которые поедают неорганические соединения

Некоторые автотрофные бактерии, называемые хемотрофами, питаются неорганическими соединениями. Двуокись углерода обычно является единственным источником клеточного углерода. Эти автотрофы используют сероводород, аммиак или газообразный водород для восстановления углерода до необходимых сахаров.Нитрифицирующие бактерии, которые окисляют аммиак с образованием нитритов и нитратов, являются примером бактерий, которые используют автотрофное питание, или, более конкретно, химиоавтотрофное питание.

Бактерии, потребляющие органические соединения

Гетеротрофным бактериям требуются органические источники углерода, такие как сахар, жиры и аминокислоты. Примером могут служить сапрофитные бактерии. Они получают свое питание от мертвого органического вещества. Используя ферменты, эти бактерии расщепляют сложные соединения и используют питательные вещества для высвобождения энергии.Сапрофитные бактерии являются разложителями и играют важную роль в экосистеме, выделяя более простые продукты, которые могут использовать растения и животные.

Бактерии, которые используют свет как пищу

Фототрофные бактерии — это автотрофы, которые поглощают световую энергию, а затем используют ее в фотосинтезе для создания клеточной энергии. Есть два типа фототрофов. Те, которые не производят кислород в качестве побочного продукта, называются анаэробными фототрофами, а те, которые действительно производят кислород, называются аэробными фототрофами.Цианобактерии — это пример бактерий, осуществляющих фотоавтотрофное питание. Фототрофами могут быть как автотрофы, так и гетеротрофы. Гетеротрофные фототрофы потребляют органический углерод в дополнение к производству органических молекул посредством фотосинтеза.

Бактерии, питающиеся химическими веществами

Эти бактерии получают химическую энергию из окружающей среды и превращают ее в аденозинтрифосфат (АТФ) для использования в клетках. Эти бактерии также считаются хемотрофами и получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций неорганических соединений, таких как аммиак, сероводород и железо.Например, серные бактерии — это хемоавтотрофы, которые вырабатывают энергию, окисляя сероводород до серы и воды. Этот процесс является формой хемосинтеза.

5.1B: Хемоавтотрофы и хемогетротрофы — Biology LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Хемоавтотрофы
  2. Хемогетеротрофы
  3. Ключевые моменты
  4. Ключевые термины

Цели обучения

  • Сравнить хемоавтотрофы и хемогетеротрофы

Хемотрофы — это класс организмов, которые получают энергию в результате окисления неорганических молекул, таких как железо и магний.Наиболее распространенным типом хемотрофных организмов являются прокариотические организмы, включающие как бактерии, так и грибы. Всем этим организмам необходим углерод для выживания и воспроизводства. Способность хемотрофов производить собственные органические или углеродсодержащие молекулы разделяет эти организмы на две разные классификации — хемоавтотрофов и хемогетеротрофов.

Рисунок: Взаимодействие организмов и окружающей среды на водно-болотных угодьях : источники энергии и углерода для каждого трофического уровня.

Хемоавтотрофы

Хемоавтотрофы способны синтезировать собственные органические молекулы за счет фиксации углекислого газа.Эти организмы способны производить собственный источник пищи или энергии. Энергия, необходимая для этого процесса, происходит от окисления неорганических молекул, таких как железо, сера или магний. Хемоавтотрофы могут процветать в очень суровых условиях, таких как глубоководные жерла, из-за отсутствия зависимости от внешних источников углерода, кроме углекислого газа. Хемоавтотрофы включают азотфиксирующие бактерии, расположенные в почве, бактерии, окисляющие железо, расположенные в слоях лавы, и бактерии, окисляющие серу, расположенные в глубоководных термальных источниках.

Хемогетеротрофы

Хемогетеротрофы, в отличие от хемоавтотрофов, не могут синтезировать собственные органические молекулы. Вместо этого эти организмы должны поглощать предварительно сформированные молекулы углерода, такие как углеводы и липиды, синтезированные другими организмами. Однако они все еще получают энергию от окисления неорганических молекул, таких как хемоавтотрофы. Хемогетеротрофы могут процветать только в среде, способной поддерживать другие формы жизни, из-за их зависимости от этих организмов в качестве источников углерода.Хемогетеротрофы являются наиболее распространенным типом хемотрофных организмов и включают большинство бактерий, грибов и простейших.

Ключевые моменты

  • Хемотрофы — это организмы, которые получают энергию за счет окисления доноров электронов в окружающей их среде.
  • Хемоавтотрофы используют неорганические источники энергии для синтеза органических соединений из углекислого газа.
  • Хемогетеротрофы не могут использовать диоксид углерода для образования собственных органических соединений. Их источник углерода скорее состоит из серы, углеводов, липидов и белков.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *