Классификация бактерий по типу дыхания — биологического окисления.

По потребности микроорганизмов в кислороде выделяют пять групп:

1. Облигатные (строгие) аэробы способны получать энергию только путем дыхания и поэтому обязательно нуждаются в молекулярном кислороде. Энергию получают окислительным метабо­лизмом, используя кислород как терминаль­ный акцептор электронов в реакции, катали­зируемой цитохромоксидазой. Пример: представители родов Pseudomonas и Bacillus.

2. Облигатные (строгие) анаэробы не способны расти и размножаться в присутствии кислорода, поскольку у них отсутствуют ферменты, расщепляющие токсические соединения кислорода. Для них как тип окисли­тельно-восстановительных процессов характерна ферментация, при которой происходит перенос электронов от субстрата-донора к субстрату-акцептору. Тип метаболизма у них — бродильный. Пример: микроорганизмы родов Clostridium и Bacteroides.

3. Факультативные анаэробы способны расти и размножаться как в при­сутствии кислорода, так и в его отсутствии. Они обладают смешанным типом метабо­лизма и могут ис­пользовать в качестве терминальных акцепторов электронов как молекулярный кислород, так и органические соединения. Процесс получения энергии у них мо­жет происходить кислородным дыханием в присутствии кислорода, а в его отсутствии переключаться на брожение. Пример: Escherichia coli и Saccharomyces.

4. Микроаэрофилы нуждаются в низком содержании свободного кислорода 2-10%. Естественной средой обитания микроаэрофилов является мукозный слой, покрывающий эпителий желудка, где концентрация кислорода невелика. У микроаэрофилов имеются ферменты, которые инактивируются при контакте с сильными окислителями и активны только при низких значениях парци­ального давления кислорода, например фер­мент гидрогеназа. Многие микроаэрофильные бактерии растут быстрее в избыточном количестве углекислого газа (до 20%), поэтому их называют капнофилами. Пример: Helicobacter pylori, Campylobacter.

5. Аэротолерантные микроорганизмы способны расти в присутствии атмосферного кислорода, но не использовать его в качестве источника энергии. Они осуществляют анаэробный метаболизм (брожение), но устойчивы к действию кислорода при его обычных концентрациях. Пример: Streptococcus pyogenes, Lactobacillus.

 

Бактерии

Аэробы Микроаэрофильные Факультативные Анаэробы Аэротолерантные

микроорганизмы анаэробы микроорганизмы

Рис. 10 Характер роста бактерий с различной потребностью в кислороде

Различное физиологическое отношение микроорганизмов к кислороду связано с нали­чием у них ферментных систем, позволяющих существовать в атмосфере кислорода. Следует отметить, что в окислительных процессах, протекающих в атмосфере кислорода, образуются токсические продукты окисления (H₂O_{2 —} перекись водорода и О₂~ — свободные кислородные радикалы), Эти соединения вызывают перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот и окисление SH-групп белков.

Таблица 16 Ферменты бактерий с различной потребностью в кислороде

Тип дыхания	Ферменты, нейтрализующие токсические соединения кислорода
Строгие аэробы	Каталаза H2O2 — H2O + O2 Супероксид дисмутаза O2- + 2H+ — O2 + H2O2 — H2O + O2
Факультативные анаэробы	Каталаза Супероксид дисмутаза
Строгие анаэробы	Обычно каталаза- и супероксид дисмутаза отрицательны*
Микроаэрофильные микроорганизмы	Небольшие количества каталазы и супероксид дисмутазы
Аэротолерантные микроорганизмы	Пероксидаза

* Супероксид дисуматаза встречается у многих строгих анаэробов и наличие этого фермента коррелирует с их устойчивостью к кислороду.

 

Для нейтрализации токсичных форм кисло­рода микроорганизмы, способные существо­вать в его атмосфере, имеют специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, а также мощную ферментную систему для нейтрализации наиболее токсичных радикалов кислорода, которая получила название супероксид дисмутаза. У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно-восстановительного потенциала, поэтому накопление токсических для мембран клеток соединений вызывает их разрыв и неизбежную гибель. Биохимически анаэробное дыхание протекает по типу бродильных процессов.

У облигатных аэробов и факультатив­ных анаэробов накоплению закисного радикала O2~ препятствует ферменты каталаза и супероксид дисмутаза,расщепляющие кислородный радикал на перекись водорода и молекулярный кислород (табл. 16 и рис. 10).

Аэротолерантные микроорганизмы не име­ют супероксид дисмутазы, и ее функцию вос­полняет высокая концентрация ионов мар­ганца, который, окисляясь под действием 0₂~, убирает тем самым супероксидный ион. Перекись водорода у этих микроорганизмов разрушается ферментом пероксидазой в ката­лизируемых ею реакциях окисления органи­ческих веществ.

Строгие анаэробы не имеют ни каталазу, ни пероксидазу, но содержат супероксид дисмутазу. В связи с этим некоторые стро­гие анаэробы (бактероиды, фузобактерии ) не выносят присутствия даже незначительного количества молекулярного кислорода, тогда как некоторые клостридии могут находиться в атмосфере кислорода, благодаря ферменту супероксид дисмутаза.

Брожение и его виды

Брожение (субстратное фосфорилирование). Брожение — это разновидность анаэробного дыхания, при котором и донором и акцептором водорода является органическое вещество. Основные компоненты субстратного фосфорилирования:органические субстраты, связанный кислород.

При брожении происходит расщепление сложных органических веществ до более просто устроенных с выделением относительно небольшого количества энергии. При поступлении глюкозы в клетку, происходит гликолиз и образуется ПВК. Дальнейшие ее превращения предопределяются набором ферментов анаэробных бактерий. Бродильный (ферментативный) метаболизм, — процесс получения энергии, при котором отщеплен­ный от субстрата водород переносится на органические соединения.

Кислород в процессе брожения участия не принимает. Восстановленные органические соединения выделяются в питательную среду и накапливаются в ней. Ферментироваться могут углеводы, аминокислоты (за исключе­нием ароматических), пурины, пиримидины, многоатомные спирты. Не способны сбра­живаться ароматические углеводороды, сте­роиды, каротиноиды, жирные кислоты. Эти вещества разлагаются и окисляются только в присутствии кислорода, в анаэробных усло­виях они стабильны. Продуктами брожения являются кислоты, газы, спирты.

В зависимости от того какие конечные продукты образуются, выделяют разные типы брожения:

1. Молочнокислое брожение. Примерами этого типа брожения являются лактобактерии, бифидобактерии, стрептококки. Из ПВК они образуют молочную кислоту (гомоферментативное брожение) или молочную кислоту, ацетон, янтарную кислоту, уксусную (гетероферментативное брожение). Продукты молочнокислого брожения игра­ют большую роль в формировании колони­зационной резистентности бактериями рода Lactobacillus и Bifidobacterium, составляющих облигатную флору кишечника. Молочнокислые бактерии широко исполь­зуются в молочной промышленности для по­лучения молочнокислых продуктов, а также в создании пробиотиков.

2. Маслянокислое брожение. Масляная кислота, бутанол, ацетон, изопропанол и ряд других ор­ганических кислот, в частности уксусная, капро­новая, валерьяновая, пальмитиновая, являются продуктами сбраживания углеводов сахаролитическими строгими анаэробами (анаэробные бактерии рода клостридии, а также бактероиды, фузобактерии и другие группы). Спектр этих кислот, определяемый при помощи газожид­костной хроматографии, используется как экс­пресс-метод при идентификации анаэробов.

3. Пропионовокислое брожение. Возбудители относятся также к роду анаэробов — пропионибактериям, которые используются в производстве сыров. Конечный продукт брожения — пропионовая кислота. Пропионибактерии — обитатели кожи и слизистой оболочки человека и животных могут вызывать анаэробные инфекции.

4. Спиртовое брожение. Встречается, в основ­ном, у дрожжей. Конечными продуктами яв­ляются этанол и СО₂. Сбраживание глюко­зы происходит по ФДФ-пути 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.

5. Бутиленгликолевое брожение. В результате ферментации образуются бутиловый спирт, этиленгликоль, сероводород и другие токсические продукты. Этот вид брожения вызывают кишечная палочка и другие энтеробактерии, в том числе — возбудители кишечных инфекций — сальмонеллёза, дизентерии.

6. Муравьинокислое (смешанное) броже­ние. Встречается у представителей семейств Enterobacteriaceae, Vibrionaceae. Глюкоза рас­щепляется по ФДФ-пути, глюконат расщеп­ляется по КДФГ-пути.

Знание механизмов брожения имеет большое практическое значение: во-первых, для разработки методов диагностики (идентификации) инфекционных заболеваний но набору ферментов; во-вторых, для создания современных биотехнологий молочнокислых продуктов, сыра, хлеба, вина, пива и многих других продуктов питания.