Лекція 8. Перетворення жирів та жирних кислот

План лекції

1. Хімізм процесу.

2. Збудники розкладання жирів та жирних кислот.

3. Значення процесу у кругообігу речовин у природі.

4. Хімізм процесу гниття.

5. Характеристика збудників гниття.

6. Шкідлива роль процесів гниття та їхнє практичне значення.

7. Нітрифікація, денітрифікація, фіксація атмосферного азоту. Значення цих процесів.

Розкладання жирів та жирних кислот. Жири - це складні ефіри гліцерину та вищих жирних кислот. Під дією різних фізико-хімічних факторів зовнішнього середовища, а також мікроорганізмів жири можуть піддаватися значним змінам. Вплив мікроорганізмів на жири розпочинається із їх гідролізу на гліцерин та вільні жирні кислоти. Жирні кислоти накопичуються в субстраті, тому нерідко про зниження якості жиру судять за зміною його «кислотного числа». Продукти гідролізу піддаються подальшим перетворенням. Гліцерин використовується багатьма мікроорганізмами та може бути повністю окислений до вуглекислого газу і води. Жирні кислоти руйнуються повільніше, але і вони (у першу чергу ненасичені) поступово окислюються. Деякі мікроорганізми, крім ліполітичних ферментів (ліпаз), мають окислювальний фермент ліпоксігеназу, яка каталізує процес окислення киснем повітря деяких ненасичених жирних кислот. У результаті утворюються перекиси жирних кислот, які легко піддаються подальшому окисленню із утворенням проміжних продуктів - оксикислот, альдегідів, кетонів та інших, які надають жирам специфічного неприємного смаку (прогіркання) та аромату. Проміжні продукти окислення жиру та жирних кислот можуть бути використані мікроорганізмами у процесах їх метаболізму перетворюються у вуглекислий газ і воду. Збудниками процесів розкладання жиру та жирних кислот є різні бактерії, цвілі, деякі дріжджі та актиноміцети. З бактерій дуже активні бактерії роду Рseudomonas, особливо флуоресціруючі (ті, які продукують пігменти). Із цвілі значною ліполітичною активністю характеризуються Oidium lactis, Cladosporium herbarum, багато видів Aspergillius і Penicillium. Псування харчових жирів та жиру, що міститься у різних продуктах (рибних, молочних, круп'яних та ін.) дуже розповсюджене та нерідко завдає великої шкоди народному господарству. Багато жиророзчинних мікроорганізмів психрофіли, здатні розвиватися при низьких позитивних температурах. При тривалому зберіганні жирів в умовах, які не допускають розвиток мікробів, псування жиру може бути результатом хімічних процесів під впливом світла, кисню повітря. Розкладання жирів мікроорганізмами в природних умовах (у грунті, у воді) відбувається постійно і має велике значення в загальному кругообігу речовин у природі.

Перетворення азотовмісних речовин. Гнилісні процеси. У метаболізмі мікроорганізмів азотовмісні речовини зазнають різноманітних перетворень, а види псування, харчових продуктів (з такими перетвореннями) називають гниттям. Гниття - це процес глибокого розкладу білкових речовин мікроорганізмами. З огляду на те що аміак завжди є в кінцевих продукти розпаду білків, процес гниття називають також амоніфікацією білкових речовин. Здатність розкладати білкові речовини властива багатьом мікроорганізмам. Деякі з них безпосередньо розкладають білки, інші можуть впливати тільки на прості продукти розпаду білкової молекули, наприклад на пептиди, амінокислоти та ін. Продукти розкладу білків мікроби використовують для синтезу речовин свого організму, а також як енергетичний матеріал.

Хімізм розкладання білкових речовин. Гниття - складний, біохімічний процес, характер і кінцевий результат якого залежить від складу білків, які підлягають розкладанню, умов процесу та видів мікроорганізмів, що його викликають. Білкові речовини не можуть безпосередньо надходити до клітини мікроорганізмів, тому використовувати білки можуть тільки ті мікроорганізми, які мають протеолітичні ферментами – екзопротеази. Останні виділяються клітинами в навколишнє середовище. Процес розпаду білків розпочинається з гідролізу. Первинними продуктами гідролізу є пептони та пептиди. Вони розщеплюються до амінокислот. Різні амінокислоти, які утворюються у процесі розпаду білків, використовуються мікроорганізмами, або піддаються подальшим змінам. Наприклад дезамінування - процес у результаті якого утворюються аміак¹ та різноманітні органічні сполуки. Він може відбуватися різними шляхами. Розрізняють дезамінування гідролітичне, окисне та відновне.

Гідролітичне дезамінування супроводжується утворенням оксикислот та аміаку. Якщо при цьому відбувається і декарбоксилування амінокислоти, то утворюється спирт, аміак і вуглекислий газ:

RСHNН₂СООН + Н ₂ О-> RСНОНСООН + NH₃;

RСНNH₂СООН + Н ₂ О-> RCH₂OH+ NH₃ + CO₂

При окислювальному дезамінуванні утворюються кетокислоти та аміак:

RCHNH₂COOH + ½ O₂= RCOCOOH + NH₃

При відновному дезамінуванні утворюються карбонові кислоти та аміак:

RCHNH₂COOH + 2H = RCH₂COOH + NH₃

Із наведених рівнянь видно, що серед продуктів розпаду амінокислот, залежно від будови їх радикалу (R), виявляються різні органічні кислоти та спирти. Так, при розкладанні амінокислот жирного ряду можуть накопичуватися мурашина, оцтова, пропіонова, масляна та інші кислоти, пропіловий, бутиловий, аміловий та інші спирти. При розкладанні амінокислот ароматичного ряду проміжними продуктами є характерні продукти гниття: фенол, крезол, скатол, індол - речовини, що характеризуються дуже неприємним запахом. При розпаді амінокислот, які містять сірку, виділяється сірководень або його похідні – меркаптани, які мають запах несвіжих яєць, що відчувається навіть при дуже малих концентраціях. Утворені при гідролізі білка диамінокислоти можуть піддаватися декарбоксилюванню без відщеплення аміаку, внаслідок чого утворюються діаміни і вуглекислий газ. Наприклад, лізин перетворюється на кадаверин:

NH2(CH₂)₄CHNH₂COOH = (декарбоксилаза) NH₂(CH₂)₅N₂ + СО₂

Так само орнітин перетворюється на путресцин. Кадаверин, путресцин та інші аміни, які утворюються у процесі гниття, часто об'єднують під загальною назвою птоаміни (трупні отрути), деякі із є отруйними речовинами. Подальше перетворення азотистих і безазотистих органічних сполук, які утворюються у процесі розпаду амінокислот, залежить від навколишніх умов та складу мікрофлори. Аеробні мікроорганізми піддають ці сполуки окисленню до повної мінералізації. Кінцевими продуктами гниття є аміак, вуглекислий газ, вода, сірководень, солі фосфорної кислоти. У анаеробних умовах повного окислення проміжних продуктів розпаду амінокислот не відбувається. У зв'язку із цим крім аміаку і вуглекислого газу накопичуються різні органічні кислоти, спирти, аміни та інші органічні сполуки. Серед них можуть бути речовини з отруйними властивостями та ті, що надають гниючому матеріалі неприємного запаху.

Збудники гниття. Серед мікроорганізмів, здатних розкладати білки, особливе значення належить мікроорганізмам, які викликають глибокий розпад білків - власне гниття. Такі мікроорганізми прийнято називати гнильними. Серед них найбільше значення мають бактерії. Гнильні бактерії можуть бути споро утворюючими, безспоровими, аеробними і анаеробними, мезофіли, холодостійкі та термостійкі. Більшість чутливі до кислотності середовища. Найбільш поширеними та активними збудниками гнильних процесів є наступні.

Сінна та картопляна палички (відповідно до Міжнародного кодексу номенклатури бактерій сінна і картопляна палички розглядаються як синоніми одного виду - Васillus subtilius)- аеробні, рухливі, грампозитивні, спороутворюючі бактерії (рис. 6). Спори характеризуються високою термостійкістю.

Рис. 6. Представники виду - Васillus subtilius

а – в полі зору мікроскопу; б – морфологія колонії.

Температурний оптимум розвитку цих бактерій складає 35-45°С, максимум росту - при температурі близько 50-55°С, при температурі нижчій за 5°С вони не розмножуються. Крім розкладання білків, такі бактерії здатні розкладати пектинові речовини, полісахариди рослинних тканин, зброджувати вуглеводи. Сінна та картопляна палички широко поширені у природі і є збудниками псування багатьох харчових продуктів. Вони виробляють антибіотичні речовини, які пригнічують ріст багатьох хвороботворних та сапрофітних бактерій. Бактерії роду Рseudomonas - аеробні рухливі палички, з полярним джгутиком, не утворюють спор, грамвід’ємні. Багато видів холодостійкі, мінімальна температура їх росту від -2 до -5°С, оптимум - близько 20°С. Більшість псевдомонасів характеризуються протеолітичною та ліполітичною активністю, здатні зброджувати вуглеводи з утворенням кислот, виділяти слиз. Розвиток та біохімічна активність цих бактерій значно гальмуються при рН нижче 5,5 та 5-6% концентрації NаС1 у середовищі. Псевдомонаси широко поширені в природі, являються антагоністами ряду бактерій та цвілі, бо утворюють антибіотичні речовини. Деякі види Рseudomonas є збудниками хвороб (бактеріозів) культурних рослин, плодів і овочів.

Протей (Рroteus vulgaris) - дрібні грамнегативні безспорові палички із різко вираженими гнильними властивостями. Залежно від умов життя ці бактерії здатні помітно змінювати свою форму та розміри. Протей - факультативний анаероб, зброджує вуглеводи з утворенням кислот та газів. Він добре розвивається як при температурі 25°С, так і при 37°С, припиняє розмножуватися лише при температурі близько 5°С, однак може зберігатися і в заморожених продуктах. Характерною особливістю протея є його енергетична рухливість. Ця властивість лежить у основі методу виявлення протея на харчових продуктах та відділення його від культури супутніх бактерій. Деякі види протея виділяють токсичні для людини речовини.

Clostridium putrificum - анаеробна рухлива, спороутворююча паличка. Відносно великі спори її розташовуються ближче до кінця клітини, яка при цьому набуває схожості із барабанною паличкою. Спори досить термостійкі. Вуглеводи ця бактеія не зброджує. Білки розкладають із утворенням великої кількості газів (NH₃,H₂S). Оптимальна температура розвитку 37 - 43°С, мінімальна 5°С.

Clostridium sporogenes – анаеробна, рухлива, спороносна паличка. Спори термостійкі розташовані ближче до кінця клітини. Ця бактерія, зброджує вуглеводи із утворенням кислот та газу, характеризується ліполітичною здатністю. При розкладанні білків інтенсивно виділяється сірководень. Оптимальна температура розвитку 35-40°С, мінімальна – близько 5°С. Обидва види клостридій відомі як збудники псування баночних консервів (м'ясних, рибних та ін.).

Практичне значення процесів гниття. Гнилісні мікроорганізми нерідко завдають великої шкоди народному господарству, викликаючи псування найцінніших і багатих білками продуктів харчування, наприклад м'яса та м'ясопродуктів, риби і рибопродуктів, яєць, молока та ін. Але ці мікроорганізми відіграють велику позитивну роль у кругообігу речовин у природі, мінералізуючі білкові речовини, що надходять у грунт та воду.

Нітрифікація. Процес послідовного окислення аміаку до азотистої та азотної кислот називається нітрифікацією, а збудників процесу - нітріфікуючими бактеріями. Сутність цього процесу була розкрита та вивчена С. Н. Виноградським, який установив, що процес нітрифікації відбувається у дві фази, кожна із яких спричинена діяльністю аеробних бактерій. Збудники першої фази - нітрозні бактерії - окислюють аміак до солей азотної кислоти (нітритів). Збудники другої фази - нітратні бактерії - окислюють солі азотистої кислоти в солі азотної кислоти (нітрати). Нітрифікуючі бактерії відносять до хемоавтотрофів. Вони живуть у грунті, природних водоймах, збагачуючи їх нітратами - кращим джерелом азотистого живлення для рослин.

Денітрифікація. Процес відновлення нітратів до молекулярного азоту називається денітрифікацією, а бактерії, які його викликають - денітрифікуючими. Вони є факультативними анаеробами. В аеробних умовах у процесі їх дихання кінцевим акцептором водню є кисень, в анаеробних - нітрати (іноді нітрити), які і відновлюються до молекулярного азоту. Багато мікроорганізмів відновлюють нітрати тільки до нітритів. Денітрифікуючі бактерії живуть у грунті, природних водах. Діяльність денітрифікуючих бактерій в грунті негативна, особливо при анаеробних умовах, тому, що азот нітратів, засвоюваний рослинами, переходить у незасвоюваний вільний азот.

Фіксація молекулярного азоту. Деякі бактерії здатні фіксувати вільний атмосферний азот, переводити його в зв'язаний стан. Вони відновлюють азот до аміаку, частина його використовується самими мікроорганізмами, а частина виділяється в навколишнє середовище. Одні азотфіксуючі бактерії живуть вільно в грунті та воді, інші - у симбіозі із бобовими рослинами. Необхідну для фіксації азоту енергію вони отримують в процесі окислення безазотистих органічних сполук. Серед вільно існуючих азотфіксуючих бактерій найбільшого значення набувають наступні:

- аеробні бактерії роду азотобактер (Аzotobacter) - злегка приплюснуті коки, часто об'єднані попарно, мають слизову капсулу;

- анаеробні бактерії Clostridium pasteurianum - рухливі спороутворюючі палички, здатні зброджувати вуглеводи за типом маслянокислого бродіння.

У результаті діяльності азотфіксуючих бактерій грунт збагачується доступною для рослин формою азотистого харчування. У практиці сільського господарства в якості бактеріального добрива використовують препарати азотфіксуючих бактерій - азотобактерин (із культур азотобактера) та нітрагін (із культур бульбочкових бактерій).

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте хімізм процесу гниття.

2. Які сполуки єпроміжними і кінцевими продуктами гниття?

3. Які мікроорганізми є збудниками гниття?

4. Які органічні основи називаються птомаїнами?

5. Практичне значення процесів гниття.

6. Охарактеризуйте процес нітрифікації.

7. Яке практичне значення процесу нітрифікації?

8. Денітрифікація: збудники, сутність, позитивне і негативне значення.

9. Фіксація атмосферного азоту, характеристика збудників процесу.

10. Симбіотична фіксація азоту бульбочковими бактеріями.

11. Роль азотфіксуючих бактерій у сільському господарстві.

ЛІТЕРАТУРА

1. Берри Д. Биология дрожжей. - М.: Мир, 1985.- 96 с.

2. Беляев С.С. Метанобразующие бактерии: Биология, систематика, применение в биотехнологии // Успехи микробиологии. 1988. Т. 22. - С. 169.

3. Готтшалк Г. Метаболизм бактерий. - М.: Мир, 1982.- 310 с.

4. Громов Б. Строение бактерий. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1985.- 192 с.

5. Гудзь С.П., Кузнецова Р.О., Кучерас Р.В., Коструба М.Ф., Білінська І.С., Полулях О.В. Основи мікрбіології. - К.: НМК ВО, 1991.

6. Жизнь микробов в экстремальных условиях. М.: Мир, 1981. – 100 с.

7. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии.-М.: Наука, 2003.-176 с.

8. Звягинцева И.С. Галобактерии//Успехи микробиологии.-1989.- Т. 23. - С. 112-137.

9. Коротяев А.И., Бабичев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. - СПб: Спец. литература, 1998. – 780 с.

10. Ленинджер А. Основы биохимии: М.: Мир. - 1985.- Т.1. – 367 с.

11. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. - М.: Агропромиздат, 1987. – 368 с.

12. Стейниер Р., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир микробов. М.: Мир, 1979. Т. 1-3.

13. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. - М.: Мир, 1981. – 646 с.

14. Общая микробиология / Под ред. А.Е.Вершигоры. - М.: Высшая школа, 1988. – 343 с.

15. Шлегель Г. Общая микробиология. -М.: Мир, 1987. – 567 с.

16. The Evolution of Prokaryotes / Eds Schleifer R.H., Stackebrandt E.L. e.a. Acad. Press, 1985.

17. The Prokaryotes. A handbook on habitats, isolation and identification of bacteria. Berlin; Heidelberg; New York; Springer Verlag, 1981. Vol. 1, 2.