в какой среде живут анаэробы

Анаэробный организм – определение, примеры и викторина

Анаэробное определение организма

Анаэробные организмы – это те, которые живут в бескислородной среде, которой не хватает кислорода. В то время как большинству живых существ необходим кислород для выживания – они аэробные – кислород может быть токсичным для анаэробных организмов. Подавляющее большинство организмов производят молекулы энергии, называемые АТФ (аденозинтрифосфат), в процессе аэробики. клеточное дыхание, Этот сложный набор химических взаимодействий происходит в цитоплазма а также клеточная мембрана прокариот, а в митохондрии эукариот. Во время дыхания кислород действует как конечный акцептор электронов в конце цепь переноса электронов Именно поэтому аэробные организмы должны дышать воздухом, содержащим кислород, чтобы выжить. Однако анаэробные организмы используют либо ферментация или анаэробное клеточное дыхание с образованием АТФ. В этом случае атом, отличный от кислорода, является конечным акцептором электронов. Например, некоторые анаэробные бактерии которые живут глубоко в грязи в болотистых районах, используют вместо кислорода сульфат-ион, а сероводород образуется в качестве побочного продукта, а не воды. Этим объясняется сернистый запах во многих болотах и ​​болотах.

Два типа анаэробов

Существует два основных типа анаэробов: факультативный и обязательный. Факультативные анаэробы могут жить с или без кислорода. Когда кислород присутствует в их среде, они используют аэробное клеточное дыхание для производства энергии в форме АТФ. Если кислород истощается, они могут переключиться на анаэробное дыхание или брожение. По сравнению, обязать анаэробов должен жить без кислорода. Они оснащены только для прохождения анаэробное дыхание или брожение, и присутствие кислорода убивает их.

Факультативные Анаэробы

Человек мускул клетки являются факультативными анаэробами. Во время упражнений, когда человек получает много кислорода в свои мышцы, например, бег на расстояние, клетки подвергаются аэробного дыхания, Но во время интенсивных упражнений, таких как спринт, когда потребность организма в кислороде опережает способность легких обеспечивать его, мышечные клетки переключаются на ферментацию молочной кислоты. Этот процесс гораздо менее эффективен, чем аэробного дыхания и вырабатывает молочную кислоту в качестве побочного продукта, которая накапливается в мышцах и вызывает чувство жжения, которое обычно ощущается во время физических нагрузок. Поскольку это намного менее эффективно, человек может выполнять такую ​​интенсивную деятельность только в течение очень короткого периода времени, прежде чем «ударить стену» и остановиться.

Еще один знакомый факультативный анаэроб является бактерией Escherichia coli. В то время как E.coli была в прессе из-за инцидентов пищевого отравления, на самом деле E.coli являются очень важными и полезными жителями желудочно-кишечного тракта человека. Они помогают в переваривании пищи и усвоении необходимых витаминов, а также в защите от потенциально вредных инфекций. Эти бактерии могут легко функционировать с кислородом или без него, что делает их легко адаптируемыми к различным средам. В анаэробной кишке они используют ферментацию для выработки энергии. Если они находятся в среде, богатой кислородом вне кишечника, они переключаются на аэробное дыхание.

Другие примеры факультативных анаэробов

Облигатные анаэробы

Один печально известный пример облигатного анаэроба – Clostridium botulinum. Эта обычная бактерия производит мощный нейротоксин, который может быть смертельным даже в небольших количествах. Он растет в таких продуктах, как домашние консервы, печеный картофель, завернутый в алюминиевую фольгу, и мед. В плохих условиях выживания C. botulinum производит споры с жесткой оболочкой, которая позволяет им выживать годами. Когда условия улучшаются, бактерии начинают расти и производить потенциально смертельные токсины. Если человек употребляет пищу, загрязненную активно растущим C. botulinum, он может умереть от смертельного пищевого отравления, называемого ботулизмом, ранними симптомами которого являются тошнота, рвота и слабость. Затем наступают неврологические эффекты: нарушение зрения, затруднения речи и глотания, нарушение мышечного контроля, сопровождаемое затруднением дыхания и, возможно, смертью от асфиксии. Инфантильный ботулизм возникает после того, как ребенок глотает споры C. botulinum, которые могут быть обнаружены в почве, пыли или меде. Вот почему маленьким детям никогда не следует давать мед; до одного года их иммунная система недостаточно сильна, чтобы справляться со спорами, поэтому они начинают расти и вызывать тяжелые заболевания.

Возможно, самое большое скопление облигатных анаэробов на планете находится на глубоководном дне, где они населяют гидротермальные жерла. Эти подводные горячие источники, извергающиеся из земной коры, нагружены минералами, которые бактерии используют для активизации своего процесса. хемосинтез, тем самым создавая органические молекулы. Впервые обнаруженные в 1977 году исследователями у Галапагосских островов, их существование переписало все учебники по биологии. До этого считалось, что фотосинтез был единственным средством, с помощью которого автотрофные организмы могли превращать энергию в пищу для себя. Боб Баллард, глубоководный исследователь, обнаруживший затонувший «Титаник», был на подводной лодке «Элвин» в тот день, когда спустился, чтобы снять вентиляционные отверстия. Позже он сказал, что открытие хемосинтеза у бактерий сброса было одним из крупнейших биологических открытий 20-го века – гораздо важнее любого исторического крушения. Эволюционисты предполагают, что жизнь началась на глубоководном дне, заряженном хемосинтезом.

Другие примеры обязательных анаэробов

Анаэробы: друг или враг?

Понятно, что наша планета населена разнообразными анаэробными организмами. Некоторые из них являются патогенными, вызывая тяжелые инфекции, такие как MRSA, ботулизм и столбняк. Другие полезны, добавляя красоту горячим источникам, ароматизируя сыры и формируя сообщества океана. Для других, таких как кишечная палочка, их состояние зависит от их местоположения: хотя кишечная палочка является необходимым и полезным жителем кишечника человека, она может стать патогенной, если ее принимать внутрь, или каким-либо другим способом. Таким образом, анаэробы являются важными жителями Земли, которые блестяще занимают свои экологические ниши.

викторина

1. Какой из следующих метаболических путей требует кислорода?A. Аэробное клеточное дыхание.B. Анаэробное клеточное дыхание.C. Брожение молочной кислоты.D. Алкогольное брожение.

Ответ на вопрос № 1

верно. Термин «аэробный» относится к кислороду. Все три других процесса требуют отсутствия кислорода, чтобы иметь место.

2. Что из перечисленного не является факультативным анаэробом?A. кишечная палочкаB. Золотистый стафилококкC. Clostridium botulinumD. Человек мышечная клетка

Ответ на вопрос № 2

В верно. C. botulinum является облигатным анаэробом, ответственным за пищевое отравление ботулизмом. E. coli, S. aureus и человеческие мышечные клетки являются факультативными анаэробами, способными переключаться между аэробным и анаэробным дыханием в зависимости от окружающей среды.

3. Где находится наибольшее скопление облигатных анаэробов на планете?A. Болота и болотаB. Умеренные и тропические лесаC. Глубоководное дноD. Луга и сельскохозяйственные почвы

Ответ на вопрос № 3

С верно. Крупнейший в мире Население из обязательных анаэробов обитает в гидротермальных жерлах, найденных вдоль подводных хребтов, которые тянутся на 40 000 миль вдоль краев тектонических плит Земли.

Источник

Анаэробы

14.05.2021, 17:09 Бактерии
Автор: Дарья Куликова

бактерии Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. удовлетворяют свои потребности в энергии за счет сопряженных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых водород переносится от донатора к акцептору. У анаэробов Анаэробы – это микроорганизмы, в том числе бактерии, энергетические процесс. акцепторами водорода являются промежуточные продукты расщепления углеводов и белков, а у аэробов Аэробы – организмы, в том числе микроорганизмы,в том числе бактерии, для жизнеде. акцептором водорода может быть кислород. Эти реакции протекают ступенчато от системы более высокого окислительно-восстановительного потенциала к системе с более низким потенциалом. Перенос водорода от донатора к акцептору осуществляется четырьмя дегидрогеназами, причем в трех случаях в этом переносе в качестве акцепторов водорода участвуют пиридиннуклеотиды и только в случае сукцинатдегидрогеназы водород непосредственно переносится на флавопротеид (ФАД).

Роль кислорода в жизнедеятельность анаэробов

Анаэробы Анаэробы – это микроорганизмы, в том числе бактерии, энергетические процесс. в окислительных реакциях в качестве акцепторов электронов водорода используют нитраты, сульфаты и другие окислительные соединения. Молекулярный кислород они не используют. Более того, для широкого круга таких бактерий молекулярный кислород токсичен.

Группы анаэробов по отношению к кислороду

Анаэробные организмы делят на две группы:

Кроме того, выделяют группу факультативных анаэробов – микроорганизмов, способных переключаться с аэробного на анаэробный тип метаболизма в зависимости от условий окружающей среды.

Источник

Анаэробные организмы

Анаэробы — организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратного фосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

Анаэробы — обширная группа организмов, как микро-, так и макроуровня:

Помимо этого анаэробное окисление глюкозы играет важную роль в работе поперечно-полосатой мускулатуры животных и человека (особенно в состоянии тканевой гипоксии).

Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Анаэробное дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов при использовании в качестве конечного акцептора протонов не кислорода, а других веществ (например, нитратов) и относится к процессам энергетического обмена (катаболизм, диссимиляция), которые характеризуются окислением углеводов, липидов и аминокислот до низкомолекулярных соединений.

Содержание

Степень аэробности среды

Для измерения потенциала среды М. Кларк предложил использовать величину pH₂ 0 — отрицательный логарифм парциального давления газообразного водорода. Диапазон [0-42,6] характеризует все степени насыщения водного раствора водородом и кислородом. Аэробы растут при более высоком потенциале 20, факультативные анаэробы 16, а облигатные — при наиболее низком 9. [2]

Классификация анаэробов

Согласно устоявшейся в микробиологии классификации, различают:

До 1991 года в микробиологии выделяли класс капнеистических анаэробов, требовавших пониженной концентрации кислорода и повышенной концентрации углекислоты (Бруцеллы бычьего типа — B. abortus) [2]

Умеренно-строгий анаэробный организм выживает в среде с молекулярным O₂, однако не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O₂.

Если организм не способен «переключиться» с анаэробного типа дыхания на аэробный, но не гибнет в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэротолерантных анаэробов. Например, молочнокислые и многие маслянокислые бактерии

Облигатные анаэробы в присутствии молекулярного кислорода O₂ гибнут — например, представители рода бактерий и архей: Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methanobacterium). Такие анаэробы постоянно живут в лишенной кислорода среде. К облигатным анаэробам относятся некоторые бактерии, дрожжи, жгутиковые и инфузории.

Токсичность кислорода и его форм для анаэробных организмов

Аэробные организмы содержат чаще всего три цитохрома, факультативные анаэробы — один или два, облигатные анаэробы не содержат цитохромов.

Дополнительная антиоксидантная защита может обеспечиваться синтезом или накоплением низкомолекулярных антиоксидантов: витамина С, А, E, лимонной и других кислот.

Получение энергии путем субстратного фосфорилирования. Брожение. Гниение.

При этом характерным только для анаэробов является гликолиз, который в зависимости от конечных продуктов реакции разделяют на несколько типов брожению:

В результате расщепления глюкозы расходуется 2 молекулы, а синтезируется 4 молекулы АТФ. Таким образом общий выход АТФ составляет 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД·Н₂. Полученный в ходе реакции пируват утилизируется клеткой по-разному в зависимости от того, какому типу брожения она следует.

Антагонизм брожения и гниения

В процессе эволюции сформировался и закрепился биологический антагонизм бродильной и гнилостной микрофлоры:

Расщепление микроорганизмами углеводов сопровождается значительным снижением pH среды, в то время как расщепление белков и аминокислот — повышением (защелачиванием). Приспособление каждого из организмов к определенной реакции среды играет важнейшую роль в природе и жизни человека, например, благодаря бродильным процессам предотвращается загнивание силоса, заквашенных овощей, молочных продуктов.

Культивирование анаэробных организмов

Культивирование анаэробных организмов в основном является задачей микробиологии.

Сложнее дело обстоит с культивированием анаэробных многоклеточных организмов, поскольку для их культивирования часто необходима специфическая микрофлора, а также определённые концентрации метаболитов. Применяется, например, при исследовании паразитов человеческого организма.

Другим способом выращивания анаэробов(чаще всего микроорганизмов) на питательных средах — добавление содержащих редуцирующие вещества (глюкозу, муравьинокислый натрий и др.), уменьшающие окислительно-восстановительный потенциал.

Общие питательные среды для анаэробных организмов

Для общей среды Вильсона — Блера базой является агар-агар с добавлением глюкозы, сульфита натрия и двуххлористого железа. Клостридии образуют на этой среде колонии чёрного цвета за счет восстановления сульфита до сульфид — аниона, который соединяясь с катионами железа (II) дает соль чёрного цвета. Как правило, черные на этой среде образования колонии, появляются в глубине агарового столбика. [8]

Среда Китта — Тароцци состоит из мясопептонного бульона, 0,5% глюкозы и кусочков печени или мясного фарша для поглощения кислорода из среды. Перед посевом среду прогревают на кипящей водяной бане в течение 20 — 30 минут для удаления воздуха из среды. После посева питательную среду сразу заливают слоем парафина или вазелинового масла для изоляции от доступа кислорода.

Общие методы культивирования для анаэробных организмов

GasPak — система химическим путем обеспечивает постоянство газовой смеси, приемлемой для роста большинства анаэробных микроорганизмов. В герметичном контейнере, в результате реакции воды с таблетками боргидрида натрия и бикарбоната натрия образуется водород и диоксид углерода. Водород затем реагирует с кислородом газовой смеси на палладиевом катализаторе с образованием воды, уже вторично вступающей в реакцию гидролиза боргидрида.

Метод Цейсслера применяется для выделения чистых культур спорообразующих анаэробов. Для этого производят посев на среду Китт-Тароцци, прогревают 20 мин при 80 °C (для уничтожения вегетативной формы), заливают среду вазелиновым маслом и инкубируют 24 ч в термостате. Затем производят посев на сахарно-кровяной агар для получения чистых культур. После 24-часового культивирования интересующие колонии изучаются — их пересеивают на среду Китт-Тароцци (с последующим контролем чистоты выделенной культуры).

Метод Фортнера — посевы производят на чашку Петри с утолщенным слоем среды, разделённым пополам узкой канавкой, вырезанной в агаре. Одну половину засевают культуру аэробных бактерий, на другую — анаэробных. Края чашки заливают парафином и инкубируют в термостате. Первоначально наблюдают рост аэробной микрофлоры, а затем (после поглощения кислорода) — рост аэробной резко прекращается и начинается рост анаэробной.

Метод Вейнберга используется для получения чистых культур облигатных анаэробов. Культуры, выращенные на среде Китта-Тароцци, переносят в сахарный бульон. Затем одноразовой пастеровской пипеткой материал переносят в узкие пробирки (трубки Виньяля) с сахарным мясо-пептонным агаром, погружая пипетку до дна пробирки. Засеянные пробирки быстро охлаждают, что позволяет фиксировать бактериальный материал в толще затвердевшего агара. Пробирки инкубируют в термостате, а затем изучают выросшие колонии. При обнаружении интересующей колонии на её месте делают распил, материал быстро отбирают и засеивают на среду Китта-Тароцци (с последующим контролем чистоты выделенной культуры).

Метод Перетца — в расплавленный и охлаждённый сахарный агар-агар вносят культуру бактерий и заливают под стекло, помещённое на пробковых палочках(или фрагментах спичек) в чашку Петри. Метод наименее надежен из всех, но достаточно прост в применении.

Дифференциально — диагностические питательные среды

Среды Гисса: К 1 % пептонной воде добавляют 0,5 % раствор определенного углевода (глюкоза, лактоза, мальтоза, маннит, сахароза и др.) и кислотно-щелочной индикатор Андреде, разливают по пробиркам, в которые помещают поплавок для улавливания газообразных продуктов, образующихся при разложении углеводородов.

Среда Ресселя (Рассела) применяется для изучения биохимических свойств энтеробактерий(шигелл, сальмонелл). Содержит питательный агар-агар, лактозу, глюкозу и индикатор (бромтимоловый синий). Цвет среды травянисто-зелёный. Обычно готовят в пробирках по 5 мл со скошенной поверхностью. Посев осуществляют уколом в глубину столбика и штрихом по скошенной поверхности.

Среда Плоскирева (бактоагар Ж) — дифференциально-диагностическая и селективная среда, поскольку подавляет рост многих микроорганизмов, и способствует росту патогенных бактерий (возбудителей брюшного тифа, паратифов, дизентерии). Лактозоотрицательные бактерии образуют на этой среде бесцветные колонии, а лактозоположительные — красные. В составе среды — агар, лактоза, бриллиантовый зелёный, соли желчных кислот, минеральные соли, индикатор (нейтральный красный).

Висмут-сульфитный агар предназначен для выделения сальмонелл в чистом виде из инфицированного материала. Содержит триптический гидролизат, глюкозу, факторы роста сальмонелл, бриллиантовый зелёный и агар. Дифференциальные свойства среды основаны на способности сальмонелл продуцировать сероводород, на их устойчивости к присутствию сульфида, бриллиантового зелёного и лимоннокислого висмута. Маркируются колонии в чёрный цвет сернистого висмута (методика схожа со средой Вильсона — Блера).

Метаболизм анаэробных организмов

Метаболизм анаэробных организмов имеет несколько различных подгрупп:

Анаэробный энергетический обмен в тканях человека и животных [12]

Некоторые ткани животных и человека отличаются повышенной устойчивостью к гипоксии (особенно мышечная ткань). В обычных условиях синтез АТФ идет аэробным путем, а при напряженной мышечной деятельности, когда доставка кислорода к мышцам затруднена, в состоянии гипоксии, а также при воспалительных реакциях в тканях доминируют анаэробные механизмы регенерации АТФ. В скелетных мышцах выявлены 3 вида анаэробных и только один аэробный путь регенерации АТФ.

К анаэробным относятся:

Необходимо отметить, что прямым следствием гликолиза является критическое снижение рН тканей — ацидоз. Это ведет к снижению эффективного транспорта кислорода гемоглобином, и формирует положительную обратную связь.

Каждый механизм имеет свое время удержания максимальной мощности и оптимум энергообеспечения тканей. Наибольшая мощность и наименьшее время удержания:

Примечания

См. также

Ссылки

Анаэробные организмы — Анаэробные организмы; анаэробы: Организмы, не требующие для выживания или размножения присутствия растворенного или газообразного кислорода. Источник: ВОДА И ВОДОПОДГОТОВКА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ГОСТ 30813 2002 (введен Постановлением… … Официальная терминология

анаэробные организмы — – организмы, не использующие кислород в качестве акцептора электронов для окисления органических веществ … Краткий словарь биохимических терминов

АНАЭРОБНЫЕ ОРГАНИЗМЫ — организмы, жизнедеятельность которых протекает без использования свободного кислорода … Словарь ботанических терминов

АНАЭРОБНЫЕ ОРГАНИЗМЫ — анаэробы (от греч. an отрицат. приставка, aer воздух и bios жизнь), организмы, не нуждающиеся для нормальной жизнедеятельности в присутствии кислорода. Различают А. о. облигатные, хорошо развивающиеся при полном отсутствии кислорода и погибающие… … Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь

анаэробные организмы — анаэробные организмы, анаэробы (от греч. an — отрицательная приставка, aēr — воздух и bíos — жизнь), организмы, не нуждающиеся для нормальной жизнедеятельности в присутствии кислорода. Различают А. о. облигатные, хорошо… … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь

Анаэробные организмы — (от греч. ana обратно, назад, против и aer воздух) организм, способный жить в бескислородной среде; эта способность называется анаэробиозом и относится к бактериям, некоторым червям и моллюскам (противоположность аэробы) … Начала современного естествознания

АНАЭРОБНЫЕ ОРГАНИЗМЫ — – микроорганизмы, развивающиеся без доступа свободного кислорода и черпающие необходимый для деятельности кислород из органических или минеральных кислородных соединений … Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.

Анаэробные спорообразующие бактерии. Роды клостридиум (Clostridium) и десульфотомакулум (Desulfotomaculum) — Анаэробные микроорганизмы были открыты великим французским ученым Луи Пастером в 1861 году. В то время открытие анаэробов было ошеломляющим для ученых биологов, полагавших, что жизнь невозможна без дыхания и использования кислорода.… … Биологическая энциклопедия

Источник

Анаэробы. Не ругательство, но честь

Все чаще в научной литературе всплывают статьи о микроорганизмах и их применении в медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Но все реже в абзацах с характеристикой и классификацией микробных культур встречаются слова «аэробный» и «анаэробный». Почему так происходит? Все дело в неоднозначности т.н. традиционных наименований.

Анаэробы (от греч. αν — отрицательная частица, греч. αέρ — «воздух» и греч. βιοζ — «жизнь») – общее собирательное наименование организмов, способных жить в условиях частичного или полного отсутствия кислорода. Многие из них получают энергию не окислительно-восстановительной реакцией с кислородом, а конкретным окислением какого-нибудь субстрата ( неорганических соединений, органических веществ, минералов). Так, существуют серобактерии, азотобактерии и железобактерии, использующие для дыхания окисление соединений серы, азота и железа соответственно.

История вопроса

Как термин «анаэробный» получил широкое применение?

Все дело в том, что впервые ввел его в научный оборот отец микробиологии Луи Пастер. В 1861 году он исследовал брожение, выделяя ответственные за него микроорганизмы, и обнаружил, что бактерии масляно-кислого брожения (т.н. «трупные» бактерии, например, Clostridium) в пробирке с жидкой средой концентрируются на дне оной, в то время как другие свободно плавают в виде взвеси, оседают на стенках или концентрируются у поверхности. Последующие опыты Пастера и его учеников привели к созданию классификации микроорганизмов по толерантности к кислороду.

Современная классификация выглядит так:

Факультативные анаэробы: аэробный или анаэробный рост при наличии или отсутствии кислорода.

Микроаэрофильные анаэробы.

Облигатные анаэробы: не способны к аэробному метаболизму, но в различной степени толерантны к кислороду.

Облигатные анаэробы – организмы, которые гибнут в присутствии молекулярного кислорода (свободного О2). Строгих анаэробов немного – это некоторые бактерии, отдельные виды дрожжей, некоторые жгутиконосцы, несколько видов инфузорий и архей. Большая часть анаэробной биоты погибла много миллионов лет назад, когда на планете появился свободный кислород в больших количествах. Сейчас многие из них живут глубоко в почве, на дне водоемов и внутри других организмов (паразитические и инфекционные бактерии). Многие из них входят в состав нормальной флоры слизистых оболочек человека и животных, в том числе бактерий-симбионтов ЖКТ.

В свою очередь, облигатные анаэробы подразделяют на:

Строгие анаэробы: выдерживают только ≤0,5% кислорода

Умеренные анаэробы: выдерживают от 2 до 8% кислорода

Аэротолерантные анаэробы: переносят атмосферную концентрацию кислорода в течение ограниченного времени.

Капнеистические анаэробы и микроаэрофилы – «класс» организмов, часто встречавшийся в научных работах по микробиологии до 1991 года. Считается, что капнеистические микроорганизмы и микроаэрофилы требуют пониженной концентрации кислорода и повышенной концетрации углекислого газа: им требуется низкая концентрация кислорода (обычно 2–10%) и, для многих, высокая концентрация углекислого газа (например, 10%), в анаэробных условиях растут, но очень плохо.

Сейчас этот термин в биологии практически не применяют, так как тогда к капнеистическим организмам пришлось бы причислить и человека – ткани животных, культивируемые отдельно от организма (in vitro), также требуют понижения содержания О2 и повышения СО2, иначе верхний слой клеток окисляется и погибает. Животных от подобной участи спасает кожа. Однако в медицине так все еще обозначают некоторые виды инфекционной флоры.

Аэротолерантные анаэробы – организмы, способные переживать некоторое количество кислорода в среде, но не использующие его для своих нужд. При этом организм в присутствии О2 не погибает, продолжая размножаться и расти. К этой группе относятся почти все молочнокислые микроорганизмы, многие маслянокислые бактерии и дрожжи.

Умеренно-строгие анаэробы – организмы, которые могут выживать при низких концентрациях молекулярного кислорода, но не размножаются и не используют его. Гибнут при концентрациях кислорода, превышающих 2 – 8%.

Факультативные анаэробы – организмы, способные в зависимости от условий среды и стадии своего развития жить как в кислородных, так и безкислородных условиях. При этом в условиях наличия кислорода они используют его в процессе обмена веществ, что отличает их от других групп. Кроме очень большой группы эубактерий, факультативными анаэробами могут быть водоросли, растения и даже некоторые животные. Так, например, многие паразитические черви на стадии личинки являются свободноживущими животными, использующими растворенный в воде О2 для дыхания. Однако, попадая в организм хозяина они утрачивают не только органы дыхания, но и «ненужные» циклы биохимических реакций, используя только ресурсы хозяина и субстратное окисление.

Минутка интересных фактов

В начале прошлого века была популярна теория об эволюционной стадийности анаэробов. Считалось, что анаэробные организмы более древние, что анаэробные прокариоты возникли они во времена до появления кислородной атмосферы Земли. Позднее, с меняющимися на планете условиями, некоторые из них эволюционировали в аэробных. Аэробные реакции быстрее, «дешевле» для организма при более высокой продуктивности энергии: при брожении общий выход АТФ составляет 4 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД*Н2, тогда как при дыхании общий выход составляет 30 молекул АТФ. Таким образом, аэробы получили эволюционное преимущество.

Однако с открытием анаэробных эукариот, включая анаэробных многоклеточных, эта теория частично потеряла свои позиции. Еще больше вопросов вызвал генетический анализ. Оказалось, что многие облигатные анаэробы никак друг с другом не связаны. Более того, не имеют общего предка. Еще один интересный момент – обнаружилось несколько вторично анаэробных организмов (не путать с вторичными анаэробами при брожении) – в процессе приспособления они частично или полностью утратили способность к кислородному окислению. Так, например, Zymomonas mobilis, а также клостридии произошли от цитохром-содержащих (т.е. скорее всего аэробных) организмов.

Основы процесса

Именно поэтому нам необходимо дышать – кислород, поступающий в легкие, связывается гемоглобином (у некоторых животных – гемоцианином) и разносится по всему организму к каждой клетке тела. Далее каждая клетка самостоятельно проводит цикл окислительно-восстановительных реакций, именуемых клеточным (митохондриальным) дыханием.

Сам процесс дыхания имеет три этапа (подготовительный, безкислородный и кислородный), множество ступеней, побочных продуктов, а также использует вещества, предварительно полученные в других реакциях (ацетил-КоА, убихинон, НАД и другие). Все это доставляется к мембране митохондрий и участвует в окислительном фосфорилировании – непосредственно клеточном дыхании. Оно также называется полным окислением – за бескислородным этапом неполного анаэробного окисления (гликолиза) следует дополнительный.

Общая упрощенная формула этого процесса выглядит так:

Схематично весь цикл изображен на рисунке.

Конечный результат процесса клеточного дыхания – АТФ (аденозин-трифосфат) и СО2. АТФ – это то, что организм использует почти во всех процессах как универсальный источник энергии. По сути своей, молекулы АТФ – это батарейки, а электроно-транспортная цепь на заключительном этапе клеточного дыхания – это «зарядка». Человек и близкие к нему животные используют кислород для получения АТФ. Однако это не единственный путь.

Альтернативы дыхания

В тканях человека может происходить синтез АТФ и безкислородным путем в особых условиях. Так, у бегунов на длинные дистанции при длительной нагрузке на мускулатуру в мышцах заканчивается кислород, а новый с кровью поступать не успевает, как не успевает и доставка АТФ из других источников.

В таком случае включается резервный механизм – анаэробный синтез АТФ.

Анаэробные пути пополнения энергии в организме человека включаются при чрезмерном утомлении, гипоксии (нехватке кислорода для дыхания), воспалениях и нарушениях обмена веществ (например, заболеваниях крови). Три характерных для мышц следующие:

Креатинфосфатазный (фосфогеный или алактатный) механизм — перефосфорилирование между креатинфосфатом и АДФ

Миокиназный — синтез (иначе ресинтез) АТФ при реакции трансфосфорилирования 2 молекул АДФ (аденилатциклаза)

Гликолитический — анаэробное расщепление глюкозы крови или запаса гликогена, заканчивающийся образованием молочной кислоты (иначе именуется «лактатным»).

Они имеют различные триггеры (механизмы запуска), различную эффективность и различное эффективное время работы.

При этом необходимо помнить, что все бескислородные пути клеточного дыхания у человека являются резервным механизмом, защитой от смерти в критической ситуации. Они намного менее эффективны, чем кислородный путь (обеспечивают меньший выход АТФ). Кроме того, все они сильно изменяют рН ткани, что может привести к угнетению других функций и отмиранию клеток.

Итого

В современной литературе термины «аэробный» и «анаэробный» используются редко, в основном для характеристики условий культивирования микроорганизмов, а также в медицине при характеристике инфекционных бактерий.

Систематика не использует анаэробность как такономическую категорию, а генетики и биохимики находят все больше доказательств перехода анаэробных организмов в аэробные формы и обратно. Кроме того, все аэробные организмы так или иначе имеют резервные анаэробные пути получения энергии, оставшиеся в «наследство» и включаемые в критических ситуациях.

Однако фактор аэробности по-прежнему осается важен при исследованиях некоторых инфекционных заболеваний, а также при исследовании микробиоты человека. Более того, некоторые ученые остановили свое внимание на анаэробных организмах экстремальных сред обитания (вулканов, гейзеров, глубоководных впадин, шельфовых льдов и изолированных пещер) с космической целью — выяснить, какой может быть иная жизнь.

Но об этом поговорим в следующий раз.

Всего хорошего и не болейте!

Статья написана биотехнологом Людмилой Хигерович и опубликована в научном сообществе Фанерозой.

Обухов Д.К., Кириленко В.Н. Биология. Клетки и ткани. Учебное пособие для СПО – М.: Юрайт, 2018.

Brook I. Antimicrobials therapy of anaerobic infections. J Chemother. 2016 Jun;28(3):143-50.

Wang Q, Song K, Hao X, Wei J, Pijuan M, van Loosdrecht MCM, Zhao H. Evaluating death and activity decay of Anammox bacteria during anaerobic and aerobic starvation. Chemosphere. 2018 Jun;201:25-31.

Morris JG. Obligately anaerobic bacteria in biotechnology. Appl Biochem Biotechnol. 1994 Aug;48(2):75-106.

Michiko M. Nakano, Peter Zuber. Anaerobic growth of a “strict aerobe” (Bacillus subtilis) // Annual Review of Microbiology

Dhar K, Subashchandrabose SR, Venkateswarlu K, Krishnan K, Megharaj M. Anaerobic Microbial Degradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: A Comprehensive Review. Rev Environ Contam Toxicol. 2020;251:25-108.

Larry M. Bush, Maria T. Vazquez-Pertejo. Overview of Anaerobic Bacteria – Charles E. Schmidt College of Medicine, Florida Atlantic University, 2019

J. H. Brewer, D. L. Allgeier. Safe self-contained carbon dioxide-hydrogen anaerobic system. — Appl. Microbiol.16:848-850. — 1966

Hanqi Gu, Jian Zhang, Jie Bao. High tolerance and physiological mechanism of Zymomonas mobilis to phenolic inhibitors in ethanol fermentation of corncob residue // Biotechnology Bioengineering, vol. 112, Issue 9, 07 April 2015

Источник