Г. АЭРОБНЫЕ И АНАЭРОБНЫЕ ДРОЖЖИ
В других эукариотических клетках митохондрии, по-видимому, могут временно исчезать. К наиболее известным организмам, обладающим этим свойством, относятся, разумеется, дрожжи (грибы). Дрожжи, выращенные в анаэробных условиях, не имеют нормального дыхания и классического набора цитохромов; и то, и другое адаптивно восстанавливается в присутствии кислорода [566, 1151, 1154, 1211, 1732].
Выращиваемые в анаэробных условиях дрожжи живут за счет спиртового брожения. Но генетическая непрерывность существования митохондрий поддерживается полулатентными дедифференцированными органеллами, так называемыми промитохондриями [1291, 1618, 1619]. Промитохондрии служат предшественниками митохондрий. Они содержат ДНК, их можно увидеть с помощью электронного микроскопа и можно сконцентрировать путем центрифугирования [426,1445,1446].
Чувствительность митохондрий к наличию или отсутствию кислорода указывает на то, что они детерминированы не только генетически, но и окружающей средой. Как и у некоторых прокариотов, а именно у факультативно аэробных бактерий, механизмы, ответственные за дыхание, значительно изменяются в бескислородных условиях.
У анаэробно выращиваемых мутантов 
которые, как оказалось, не способны производить АТФ путем дыхания, имеются нефункциональные митохондрии [567, 1154, 1997, 2047]. Наследственные нарушения у этого мутанта (нарушен биосинтез гема) описан в работе Таппи и Беркмайера [1880]. Сейчас известно, что наследственное изменение связано с делецией различных крупных участков митохондриального генома [1195, 1733]. Хлорамфеникол обратимо ингибирует фенотипическое проявление митохондриального генома [377]. Кстати, отметим, что, как оказалось, даже анаэробные дрожжи зависят от свободного кислорода. Дрожжам нужны стеролы, а они производятся с участием кислорода 
Однако стеролы можно добавлять в культуральную среду.
Дыхание дрожжей, сложный процесс биологического окисления, происходящий в клетке дрожжей и сопровождающийся выделением энергии. По типу дыхания дрожжи относятся к факультативным анаэробам. Процесс дыхания дрожжей состоит из ряда последовательных окислительно-восстановительных реакций между водородом, отщепляющимся от карбоновых кислот в цикле трикарбоновых кислот, и молекулярным кислородом. Окисление пировиноградной кислоты происходит за счет кислорода воды и отщепления атомов водорода (СН3СОСО-ОН + 3H2O->ЗСO2 + 10Н+). Затем водород переносится на дыхательную цепь дрожжей, которая сходна с таковой высших растений. Она включает ряд дегидрогеназ, связанных с НАД-Н (пируват-, изоцитрат-, а-кетоглутарат-, лактат- и малатдегидрогеназы), флавопротеиды, кофермент Q (убихинон) и цитохромы. Особенностью дыхательной цепи дрожжей является наличие митохондриальной НАД — зависимой алкогольдегидрогеназы, катализирующей окисление этилового спирта, помимо алкогольдегидрогеназы I и I I, локализированной в цитоплазме. В процессе аэробного дыхания дрожжи, окисляя один моль глюкозы, получают энергию, равную 2817 кДж, из которой только 10—25% используют для своих нужд; остальная энергия выделяется в окружающую среду в виде тепла. Именно поэтому температуpa бродящего сусла выше температуры окружающей среды. В анаэробных условиях дрожжи получают энергию за счет бескислородного дыхания, т. е. брожения. Брожение спиртовое — один из путей анаэробного превращения углеводов; при этом глюкоза практически полностью расщепляется дрожжами до этилового спирта и СO2 с одновременным накоплением высших спиртов и др. продуктов обмена и выделением незначительной части энергии. С энергетической точки зрения более выгодным является процесс аэробного окисления углеводов, т.е. дыхание, поскольку при брожении выделяется почти в 28 раз меньше энергии. Однако с технологической точки зрения следует ограничить процесс дыхания и функцию размножения дрожжей и усилить их бродильную активность. У дрожжей анаэробное превращение глюкозы есть обязательная первая стадия, за которой может следовать аэробная фаза — дыхание, интенсивность которой находится в прямой зависимости от условий культивирования. В виноделии дыхание дрожжей в слабой степени участвует только в начале процесса брожения, но это участие очень важно, т. к. оно обусловливает размножение дрожжей. Пока в сусле имеется кислород, дрожжи дышат, но не бродят; брожение начинается тогда, когда весь кислород израсходован. При аэробном сбраживании малосахаристых сред брожение угнетается дыханием и при этом значительно снижается потребление глюкозы (см. Пастера эффект). Торможение ферментативного разложения сахара происходит вследствие использования кислорода, т. е. вследствие дыхания дрожжей. Аэрация высокосахаристых сред вызывает противоположный сдвиг энергетического обмена у дрожжей: тормозит дыхание и активизирует брожение (см. Крэбтри эффект). При аэробном сбраживании высокосахаристых сред виноградного сусла установлен альдегидный эффект. Возможность последнего обусловлена наличием у дрожжей пространственно разобщенных ферментов гликолиза (в цитоплазме) и окислит, комплекса (в митохондриях). Эта особенность винных дрожжей использована для ускорения процесса созревания вин на этапе брожения сусла путем его аэрации, в технологии хереса глубинным способом и для интенсификации процесса созревания крепких вин типа портвейна и мадеры.
При развитии клеток дрожжей в анаэробных условиях происходит резкая перестройка энергетического обмена, митохондрии превращаются в недифференцированные структуры, называемые промитохондриями, снижается дыхательная активность. Отсутствие дыхания компенсируется усилением гликолиза, который становится основным источником энергии клетки. Бродильная функция клеток дрожжей при этом достигает максимума. Установлено, что бродильная активность винных дрожжей, развивающихся при брожении сусла под избыточным давлением СO2 до 0,5 МПа, на 25% выше активности дрожжей, развивающихся при брожении в аэробных условиях. Скорость размножения низкая, что свидетельствует о специфическом действии высоких концентраций углекислого газа на функцию почкования дрожжей. Наблюдается нарушение корреляции между скоростью размножения и скоростью утилизации сахаров из среды, что ведет к обогащению среды вторичными продуктами и повышенному содержанию в ней восстановленных веществ. Функциональная перестройка клеток наступает и при выращивании дрожжей на неполноценной питательной среде или в среде с несбалансированным содержанием витаминов, микроэлементов и др. питательных веществ. Избыток витамина B1 приводит к перестройке дрожжей даже в аэробных условиях культивирования на бродильный тип. Недостаток витамина В3 резко снижает дыхательную активность, и это изменение передается по наследству. Добавление в среду эргостерина и насыщенных жирных кислот (в форме твин-80) способствует росту дрожжей в анаэробных условиях.
Литература: Бурьян Н. И., Тюрина Л. В. Микробиология виноделия. — Москва, 1979; Нудель Л. Ш., Короткевич А. В. Микробиология и биохимия вина. — Москва, 2000.
Дыхание (биологическое окисление, катаболизм, диссимиляция) – совокупность биохимических процессов, сопровождающихся образованием энергии, необходимой для жизнеобеспечения клетки.Приаэробном типе дыхания бактериииспользуют энергию в результате окисления веществ кислородом воздуха и способны развиваться только при наличии кислорода. При анаэробном типе дыхания микроорганизмы могут развиваться при отсутствии кислорода, получая энергию в результате ферментативного расщепления органических веществ. Существуют также факультативные анаэробы, растущие как при наличии, так и при отсутствии кислорода. Определяют тип дыхания микроорганизмов посевом культуры бактерий уколом в высокий столбик агара. При этом аэробы вырастают в верхней части среды, факультативные анаэробы – по всей длине укола, анаэробы – в нижней части посева.
У прокариотов возможны три пути получения энергии, которые различаются по выходу энергии (табл. 4):
1. Фотосинтез (фотосинтетическое фосфорилирование), в котором принимают участие энергия фотонов, хлорофилл или его аналоги – пигменты. Фотосинтез описан у очень небольшой группы микробов (цианобактерии или сине-зелёные водоросли), содержащих пигменты, сходные с хлорофиллом.
2. Дыхание (окислительное фосфорилирование) – окислительно-восстановительный процесс переноса взаимодействия субстрата со свободным кислородом и ферментами дыхательной цепи, цепь реакций биологического окисления. Большинство бактерий, называемых скотобактериями,получают энергию путем химических реакций.
Суть окисления заключается в присоединении кислорода или в отнятии водорода от субстрата, в результате чего происходит расщепление вещества и разрушение химических связей. Энергия этих связей выделяется в окружающую среду и почти на 70% улавливается клеткой в виде биологической энергии, в виде образования высокоэнергетических соединений, главными из которых у прокариот является АТФ (аденозинтрифосфат), УДФ (уридиндифосфат), ферментные комплексы НАДФ (никотинадениндиноклеотидфосфат) и ФАДФ (флавинаденин-динуклеотидфосфат), пирофосфат и волютин (орто- и метафосфаты).
Одним из основных путей реализации энергии, содержащейся в фосфорных связях органических соединений, является фосфорилирование – способность передавать фосфатный остаток другим веществам , что делает эти соединения нестабильными, приводя к их распаду с выделением энергии. Все процессы дыхания происходят на ЦПМ прокариот иначинаются с гликолиза, в результате которого образуется пировиноградная кислота (пируват – ПВК), которая является исходным материалом для дальнейших катаболических реакций.
По типу дыханиябактерии делятся на:
· облигатные аэробы (например, нейссерии, синегнойная палочка)растут только при наличии кислорода;
· облигатные анаэробы могут расти только без кислорода (пептострептококки, вейллонеллы, бактероиды фузобактерии, анаэробоспириллы);
· факультативные аэробы и анаэробы могут существовать как в присутствии кислорода, так и без него;
· аэротолерантные микробы (например спорообразующие анаэробные палочки -клостридии газовой гангрены, столбняка). – это анаэробные бактерии, устойчивые к кислороду, которые не размножаются в присутствии кислорода, но и не погибают;
· микроаэрофилы (стрептококки, актиномицеты и некоторые бациллы полости рта)представляют собой небольшую группу факультативно-анаэробных бактерий, устойчивых к действию кислорода в небольших концентрациях (до 5-10%);
· капнофилы(возбудители бруцеллеза, стрептококки полости рта)нуждаются в избыточном количестве углекислого газа (до 20%).
Тип дыхания бактерий зависит от набора ферментов. От окисляемого субстрата (донора) электрон водорода передается с помощью дегидрогеназывосстанавливаемому веществу (акцептору) – флавопротеину(ФАД) или желтому ферменту, который передает электрон водорода непосредственно кислороду с образованием перекиси водорода или следующему промежуточному передатчику – цитохрому,который, в конечном счете, передает его кислородус образованием воды или перекиси водорода. Описано 3 типа цитохромов – А, В, С. Бактерии не все и не в одинаковой мере содержат все три компонента цитохрома. Так, например, строгие аэробы содержат все три компонента цитохрома. Они имеют самую длинную дыхательную цепь (дегидрогеназы, флавопротеины, цитохромы). Конечный акцептором электронов является кислород.
Факультативные анаэробы содержат один или два компонента цитохрома, в то время как строгие анаэробы, как правило, не имеют цитохрома С, поэтому у них конечным акцептором электронов водорода являются неорганические вещества (нитраты, сульфаты, карбонаты). В аэробных условиях электрон водорода от флавопротеина может непосредственно передаваться кислороду с образованием перекиси водорода, гидроксиланиона, супероксиданиона.
Аэробы и факультативные анаэробы, в отличие от облигатных анаэробов, имеют ферменты, расщепляющие каталазу и пероксидазу, а также мощный фермент – супероксиддисмутазу (СОД) для нейтрализации токсичных радикалов кислорода. У облигатных анаэробов эти ферменты не вырабатываются, поэтому накопление токсических для мембран клеток соединений вызывает их разрыв и неизбежную гибель.
3. Брожение (субстратное фосфорилирование) – разновидность анаэробного дыхания, при котором и донором и акцептором водорода является органическое вещество.
При брожении происходит расщепление сложных органических веществ до более просто устроенных с выделением небольшого количества энергии. При поступлении глюкозы в клетку, происходит гликолиз и образуется ПВК. Дальнейшие ее превращения зависят от набора ферментов анаэробных бактерий. В зависимости от того какие конечные продукты образуются, выделяют разные типы брожения:
· Молочнокислое брожение вызывается лактобактериями, бифидобактериями, стрептококками, образуя из ПВК молочную кислоту (гомоферментативное брожение) или молочную, янтарную, уксусную кислоты, ацетон (гетероферментативное брожение). Эти бактерии применяются в производстве молочно-кислых продуктов: ряженки, простокваши, кефира, йогуртов и творога.
· Маслянокислое брожение. Возбудителями этого вида брожения являются анаэробные бактерии рода клостридии, а также бактероиды, фузобактерии и другие микроорганизмы, вызывающие у человека опасные анаэробные инфекции. Основным продуктом брожения является масляная,изомасляная, уксусная, валериановая кислоты.
· Пропионовокислое брожение также вызывается анаэробами – пропионибактериями (обитатели кожи и слизистой оболочкичеловека и животных могут вызывать анаэробные инфекции), которые используются в производстве сыров. Конечный продукт брожения – пропионовая кислота.
· Спиртовое брожение. Вызывают дрожжи. В результате спиртового
брожения образуется этиловый спирт, что издавна используется в пивоварении и виноделии.
· Бутиленгликолевое брожение. В результате брожения образуются бутиловый спирт, этиленгликоль, срероводород и другие токсические продукты. Этот вид брожения вызывают кишечная палочка и другие энтеробактерии, в том числе – возбудители кишечных инфекций – сальмонеллёза, дизентерии.
При субстратном фосфорилировании из глюкозы или других источников углерода выделяется незначительное количество энергии, так как образующиеся при этом продукты брожения (молочная кислота, спирты и др.) сохраняют в себе значительные количества энергии. Поэтому в анаэробных условиях бактериальная культура для получения необходимой энергии во много раз больше разлагает пищевого материала, чем в присутствии кислорода. Теплообразование при развитии бактериальной флоры в органическом материале (навоз, торф, мусор) может привести к его самовозгоранию.
Изучение ферментов бактерий имеет большое практическое значение для разработки методов диагностики (идентификации) возбудителей инфекционных заболеваний по набору ферментов, а также для создания современных биотехнологий получения продуктов питания в том числе молочнокислых продуктов, сыра, хлеба, вина, пива и т.д.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: