1.2.4Липиды, белки и другие вещества

Известны некоторые бактерии (например, рода Pseudomonas), для которых источником углерода служат липиды. В результате гидролиза липидов ферментом липазой образуются глицерин и жирные кислоты. Оба эти компонента, или один из них могут быть источником углерода [19].

Жирные кислоты, имеющие среднюю длину цепей с 4… 12 атомами углерода, могут расщепляться бактериями до метилкетонов, которые имеют характерный вкус и запах.

Бактерии, обладающие специальными протеолитическими ферментами способны расщеплять и белки. К таким бактериям относятся роды Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus, Serratia, Proteus, Achromobacter. Они встречаются во многих пищевых продуктах, так как способны одновременно расщеплять белки, жиры и углеводы [22]

Белки и части животных клеток потребляют паразиты и сапрофиты. Они могут использовать углеродный скелет аминокислот для пополнения запаса углерода [1].

Пектин может расщеплятся бактериями. Для этого необходимы пектолитические ферменты: эстеразы и деполимеразы. Пектинэстеразы разрывают эфирные связи, в результате чего высвобождаются метанол и полигалактуроновые кислоты, расщепляемые специальными гидролазами до олигомеров и мономеров D-галактуроновой кислоты, которые сбраживаются по типу маслянокислого брожения. Наиболее активно используют пектин бактерии Bac.macerans и Bac.polymyxa [11, 22].

Известно около миллиона соединений углерода. Прокариоты способны воздействовать на любое известное углеродное соединение, т.е. использовать его в своем метаболизме. Именно эта способность и объясняет такое широкое распространение бактерий в природе [1].

прокариотический клетка микроорганизм биогенный

2.Источники азота

2.1Неорганические соединения азота

Природный азот бывает в окисленной и восстановленной форме. Подавляющее большинство прокариот усваивает азот в восстановленной форме. Среди неорганических соединений таковыми являются соли аммония. Окисленные формы азота, нитраты и нитриты, также могут потребляться многими прокариотами. Так, как азот в конструктивном клеточном метаболизме используется в форме аммиака, нитраты перед включением в органические соединения должны быть восстановлены. Некоторые бактерии способны усваивать молекулярный азот из атмосферы, состояние окисления которого 0 [1, 3, 19].

Эволюционно первыми потребителями N2 стали цианобактерии. Лишь позднее возникли свободноживущие бактерии и микробы-симбионты, способные усваивать молекулярный азот. К свободноживущим аэробным азотфиксаторам относятся азотобактеры. Из анаэробов азотофиксаторы известны среди клостридий, цианобактерий, фотосинтезирующих бактерий. Азотофиксатора-симбионты, ризобактерии и другие - выявлены в клубеньках бобовых растений, тропических растений, трав, деревьев ольхи. Способность к фиксации азота присуща только прокариотам. Некоторые азотфиксирующие микроорганизмы перечислены в таблице 2.1.1 [5, 6, 13].

Таблица 2.1.1 Представители азотфиксирующих бактерий [5]

ЦианобактерииAnabaena cylindrical Виды GloeocapsaФототрофные бактерииRhodospirillum rubrum Rhodopseudomonas capsulataСтрогие анаэробыClostridium pasteurianum Desulfovibrio vulgarisОблигатные и факультативные анаэробыRhizobium japonicum Frankia alni Klebsiella pneumonia Azotobacter vinelandii Bacillus polymyxa Mycobacterium flavum Beijeerinckia indica Spirillum lipoferum

Ферментная система, катализирующая реакцию восстановления N2 до аммиака, называется нитрогеназой. Нитрогеназа состоит из двух белков, которые содержат железо, молибден, серу и кислотолабильный сульфид. Молекула N2 является очень стабильной. Для осуществления нитрогеназной реакции еще необходимо присутствие в качестве субстратов восстановленного ферредоксина или флаводоксина. Восстановление молекулы N2 сопряжено с гидролизом 12 молекул ATP. Важно отметить, что биосинтез нитрогеназного комплекса тормозится при накоплении аммиака, или снижении количества ATP по отношению к ADP. Система фиксации азота должна быть изолирована от молекулярного кислорода, который инактивирует нитрогеназу и конкурирует за восстановитель. Стехиометрия суммарного процесса фиксации азота следующая:

2+6e+12ATP+12H2O?2NH4++12ADP+12Pi+4H+

Нитрогеназа может также катализировать восстановление соединений, содержащих тройные связи, например N2O, NH3, HCN, и других нитрилов, а также ацетилен.

Симбиотическая фиксация азота происходит в корневых клубеньках, которые образуются после инфицирования корневых волосков микроорганизмами, относящимися к видам Rhizobium. Бактерии превращаются в увеличенные в объеме клетки неправильной формы - бактероиды. Именно в них происходит фиксация азота. N2 восстанавливается бактероидами до NH3, который связывается глутамин-синтетазой, присутствующей в цитозоле растений. Растение не только обеспечивает бактероиды органическими субстратами, но и защищает нитрогеназу от действия кислорода. Азотфиксирующие клубеньки имеют леггемоглобин, который служит переносчиком кислорода, подобно гемоглобину [5, 16, 24].

Нитраты и нитриты могут потребляться многими бактериями в качестве источника азота (например, E.coli). При этом нитратный азот восстанавливается при участии фермента нитратредуктазы, а затем при участии нитритредуктазы нитрит восстанавливается до NH3. Нитратредуктаза катализирует НАД?Н2-зависимое восстановление:

3- +НАД?Н2?NO2- +НАД+ +Н2О ,

в результате которого осуществляется перенос на NO3- двух электронов. Нитритредуктаза катализирует шестиэлектронное восстановление NO2- до NH3:

2- +3НАД?Н2+Н+?NH3+3НАД+ +2Н2О .

Ферменты нитратредуктаза и нитритредуктаза, как и нитрогеназа, имеют в своем составе молибден, железо и кислотно-лабильный сульфид. [1, 6, 16].

Некоторые бактерии восстанавливают нитрат только до уровня нитрита, а другие могут его восстанавливать только до газообразного азота. В ходе этого процесса, называемого денитрификацией, связанный азот удаляется с высвобождением газообразного N2 в атмосферу [15].

Бактерии способны не только восстанавливать, но и окислять нитриты. К таким видам относятся род Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus и Nitrospira. Все они являются аэробами, кроме Nitrobacter, которые могут расти за счет анаэробного дыхания. В присутствии нитратов они образуют NO и N2O. Известен один штамм Nitrobacter, способный окислять NO до нитрата [26, 27].

Усвоение аммиака бактериями проходит легко, так как атом азота аммиака имеет степень окисления -3, такой же, как и в органических веществах в клетке. Существует три реакции ассимиляции NH3. Одна из них приводит к образованию аминогруппы глутаминовой кислоты, вторая ведет к появлению амидогруппы глутамина, а третья - к появлению карбамоилфосфата. Из карбамоилфосфата синтезируется аспарагин и пиримидины. Другие два продукта ассимиляции NH3 - непосредственные предшественники белков, а роль аспарагина только в этом и заключается [15, 16].

Существуют бактерии, которые окисляют аммиак. Этот процесс называется нитрификацией. Она проходит в два этапа: на первом аммиак окисляется до нитрита, а на втором - до нитрата. Соответствующую начальную реакцию катализирует монооксигеназа. К таким видам относят роды Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrospira [15, 26, 28].

Следует отметить, что наиболее универсальным источником азотного питания являются соли аммония. Аммиак при накоплении в клетке вызывает ее гибель. При использовании солей (NH4)2SO4, NH4Cl по мере их использования бактериями, среда подкисляется, что не способствует нормальному развитию клеток.

Нитраты необходимы тем микроорганизмам, которые боятся подкисления, так как при использовании NO3- остаются ионы металлов Na+ и K+, которые создают щелочные условия среды

Микроорганизмы, которые способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, аминокислоты и др.) из глюкозы и солей аммония, называются прототрофами [3, 19].