Хімічний склад мікроорганізмів

Хімічний склад мікроорганізмів подібний до хімічного складу інших організмів.

Переважаючими хімічними елементами у мікробній клітині є органогени – азот, вуглець, водень та кисень – найважливіші елементи, що складають основу органічних речовин (90–97% сухого залишку). Азот складає 8–15% сухого залишку, вуглець – 40–45%, кисень – 30%, водень – 6–8%. Вміст мінеральних елементів (їх нази­вають зольними) у мікробній клітині незначний – 3–10% сухого за­лиш­ку, проте вони відіграють суттєву роль у житті клітини. Більшість з них входять до складу органічних речовин. До числа найваж­ливіших мінеральних елементів відносять фосфор, сірку, калій, натрій, залізо, різні мікроелементи (кобальт, цинк, нікель, марганець).

Із різних елементів та їх сполук, що надходять у клітину в процесі живлення, мікроорганізми синтезують білки, нуклеопротеїди, вуглеводи, ліпіди, ферменти, вітаміни тощо.

Слід відзначити, що співвідношення у клітині окремих хімічних речовин може помітно коливатися в залежності від виду мікро­організму та умов його росту.

Вода. Вміст води у цитоплазмі мікроорганізмів коливається від 75 до 85% їх маси. Вода знаходиться в клітині у вільному стані або зв’язана з іншими складовими частинами. Зв’язана вода – структур­ний елемент білків, вуглеводів та інших речовин. При втраті зв’язаної води структура клітини порушується і клітина гине. Тому кількість зв’язаної води у живій клітині відносно постійна.

Вільна вода є дисперсним середовищем для колоїдів та розчин­ником для кристалічних речовин, джерелом гідроксильних та водне­вих іонів і тому бере участь в хімічних реакціях, що переходять в клі­нічні. Наприклад, гідролітичні процеси розщеплення білків, вуглево­дів та ліпідів відбуваються у результаті приєднання до них вільної води.

Кількість вільної води у клітині може значно змінюватися в залежності від умов зовнішнього середовища та її фізичного стану. Так, у спорах бактерій кількість вільної води становить 40–50%. Однак подальша втрата води до рівня нижче 25% для бактерій і нижче 14% для мікроскопічних грибів призводить до зміни в обміні речовин. У результаті клітина переходить до стану анабіозу (скритого життя), а потім гине.

Сухий залишок. Вміст сухих речовин в мікробній клітині не перевищує 15–25%. Вони складаються переважно з органічних речовин (85–95%), а саме з білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів та інших сполук.

Білки та нуклеїнові кислоти є у цитоплазмі, ядерній мембрані та інших клітинних структурах. Їх кількість різна в залежності від виду мікроорганізмів. У більшості мікробів білки складають 40–80% сухих речовин клітини, однак у деяких грибів їх кількість незначна –
15–20% сухої речовини.

У складі білків знаходяться нуклеопротеїди. Ліпопротеїди, фер­менти, інша кількісна та якісна різноманітність білкових речовин, їх комплексів та амінокислот визначає видову специфічність мікробів.

Оскільки деякі види мікроорганізмів багаті на білки (наприклад, дріжджі, що містять до 60% білка), їх використовують у сільському господарстві як кормову білкову добавку. Так, в Україні кормові білкові добавки виробляють у вигляді кормових дріжджів, деяких бактерій, водоростей хлорели і використовують у тваринництві та птахівництві.

Вуглеводи. Вміст вуглеводів та багатоатомних спиртів у тілі мікробів невеликий і складає, як правило, 12–18% сухої речовини. Однак зустрічаються види грибів, бідних на білкові речовини, що містять до 60% вуглеводів. Вуглеводи мікробної клітини представлені в основному полісахаридами, які знаходяться в клітині у вільному та зв’язаному із білками та ліпідами стані. Сконцентровані вони, голов­ним чином, в оболонці та капсулах. У деяких бактерій в цитоплазмі зустрічається значна кількість включень вуглеводів типу глікогену або крохмалю.

Ліпіди містяться у мікробній клітині, як правило, у невеликих кількостях (до 10% сухого залишку). Деякі мікроорганізми нако­пичують жир у вигляді особливих включень. Кількість ліпідів в клітинах таких мікроорганізмів може досягати 40% сухої маси (туберкульозна паличка, деякі раси дріжджів).

Мікробні ліпіди характеризуються великою різноманітністю структури та функцій; вони складаються із вільних жирних кислот, нейтральних жирів кислот, воску, фосфоліпідів. У клітині вони зна­ходяться у вільному стані (включення) як резерв живлення, або зв’я­зані у вигляді комплексів з білками чи вуглеводами. Такі комплекси зосереджені, головним чином, у цитоплазматичній мембрані.

Мінеральні речовини. У клітинних мікробів вміст мінеральних речовин звичайно складає від 2 до 14% їхньої сухої маси.

Переважають фосфорні сполуки – вільні фосфати або у складі органічних речовин (нуклеїнових кислот, АТФ, АДФ – сполук, яким належить значне місце в енергетичному обміні клітин).

Велике значення у життєдіяльності мікроорганізмів має залізо, що міститься у дихальних ферментах та каталізує окиснювальні процеси.

Одним із найважливіших елементів, що входять до складу цитоплазми мікроорганізмів, є сірка, яка бере участь у регулюванні окисно-відновного потенціалу цитоплазми.

Солі натрію та калію відіграють значну роль у регуляції внутрішньоклітинного осмотичного тиску.

Багато з мікроелементів беруть участь у синтезі ферментів, акти­візують їх.

Ферменти мікроорганізмів

Ферменти входять до складу кожної живої клітини і визначають характер обміну речовин. Ферменти – це біологічні каталізатори, що виробляються живою клітиною. Вони мають білкову природу, і за своїм природним складом поділяються на дві групи: ферменти-протеїни та ферменти-протеїди, що складаються із білка та небілкового компонента простетичної групи. Склад простетичної групи різний в окремих ферментів. В неї входять вітаміни або їх похідні, метали, азотисті сполуки тощо.

Ферменти мікроорганізмів надзвичайно активні (наприклад, 1 г амілази може перетворити у цукор тонну крохмалю), суворо специ­фічні (кожен фермент каталізує лише одну хімічну реакцію).

Особливістю ферментів є також нестійкість до впливу чинників зовнішнього середовища.

Найважливішою умовою активності ферментів є температура. Оптимальна температура, при якій даний фермент активний, неоднакова для різних ферментів. У зв’язку з тим чи іншим набором ферментів різні види мікроорганізмів потребують для свого розвитку різних температур навколишнього середовища. Так, у холодолюбних мік­робів температурний оптимум ферментів 10–12^оС, для теплолюб-
них – 40–42^оС.

При температурі нижче 0^оС швидкість ферментативних процесів уповільнюється, деякі ферментативні реакції припиняються. Проте частина ферментів зберігає свою дію (розщеплення жирів під впливом ліпази пеніцилових грибів має місце навіть при температурі -29^оС).

Не менш важливою умовою активності ферментів є концентра­ція водневих іонів (рН) середовища.

На активність ферментів впливає також присутність у сере­довищі низки хімічних речовин. Активаторами ферментів є деякі
солі, катіони, вітаміни, а інгібіторами – солі важких металів, антибіотики та ін.

Швидкість ферментативних процесів визначається концентра­цією субстрату та кількістю ферменту. Реакція уповільнюється як при нестачі, так і при надміру субстрату.

Біохімічні процеси, що протікають у мікробній клітині, регулюються ферментами, тому ті умови, що впливають на ферменти, впливають також і на життєдіяльність мікроорганізмів.

Кожному виду мікроорганізмів притаманний свій особливий комп­лекс ферментів, властивості яких визначають біохімічну діяль­ність клітини і, таким чином, особливості живлення мікробів, їхню
роль в природі, у процесах виробництва, псуванні харчових продуктів та ін. Багато ферментів мікробної проби аналогічні ферментам тварин та рослин і тому підпорядковані єдиній класифікації, загальній для всіх ферментів. Проте у мікробній клітині зустрічаються і свої особливі ферменти, притаманні лише мікробам.

За місцем дії мікробні ферменти поділяються на 2 групи: екзоферменти та ендоферменти. Екзоферменти виділяються живою клітиною у зовнішнє середовище з метою розщеплення складної колоїдної поживної речовини, яка не може проникати через клітинну оболонку позаклітинного травлення – розщеплення крохмалю, білків та ін. на більш прості, здатні проникати у клітину).

Ендоферменти містяться всередині клітини і беруть участь у внутріклітинних процесах обміну речовин. Вони зберігають актив­ність і після смерті клітини, і тому у мертвій клітині відбу­ваються процеси автолізу – самоперетворення клітини під впливом її ферментів. Зберігають вони свою дію і після руйнування клітини.

Ферменти, що постійно знаходяться у клітині незалежно від умов її існування, називаються конститутивними. До них належать ферменти внутрішньоклітинного обміну. Поряд з ними мікроорга­нізми здатні синтезувати так звані індуктивні (адаптовані) ферменти. Вони виробляються клітиною тільки тоді, коли в них з’являється потреба. Наприклад, з появою у середовищі незвичайного для мікроорганізму компонента. Так, фермент пеніциліну з’являється в мікробній клітині за наявності у середовищі пеніциліну.

Дія ферментів у живій клітині чітко узгоджена. Окремі групи фер­ментів локалізовані у визначених клітинних структурах (наприк­лад, окисно-відновні ферменти – у мітохондріях).

Практичне використання ферментів мікробів: активна фермен­та­тив­на діяльність мікробів використовувалась людиною для пере­робки рослинної та тваринної сировини з глибокої давнини. Оскільки ферменти зберігають свою активність і після виходу з мікробної клітини, у різних галузях промисловості використовуються не тільки культури мікроорганізмів, але і ферментні препарати, що одержують з мікробної маси, вирощуючи її у певних умовах.

Ферментні препарати мікробного походження мають ряд переваг у порівнянні з препаратами рослинного та тваринного по­ходження (виробництво більш економне – дешева сировина, швид­кість накопичення мікробної маси, різноманітність ферментів).
В останні роки мікробні середовища витісняють препарати рослин­ного і тваринного походження з низки промислових виробництв. Так, амілазу, продуковану плісеневими грибами, використовують для перетворення крохмалю в цукор при виробництві пива, в спиртовому виробництві, у випічці хліба.

Протеїнази, що виробляються мікробами, використовують для видалення волосяного покрову рук, пом’якшення шкіри, зняття желатинового шару з кіноплівки при її регенерації, хімічній чистці одягу. Протеїнази використовують для пом’якшення м’яса, приско­рення його дозрівання та одержання з відходів рибної та м’ясної промисловості харчових гідролізаторів, для підвищення стійкості вина та пива, а у сироварінні – замість сичугового ферменту. Фермен­ти, що гідролізують клітковину, використовуються для обробки волокнистих культур, у медичній промисловості. За допомогою мікробних ферментів отримують цінні лікарські препарати – алкалоїди, гідрокортизон. Пектолітичні ферменти, що прискорюють виділення соку, використовують у харчовій промисловості при виробництві соків і у виноробстві.

Бактерії відіграють значну роль в обробці каучуку, бавовни, шовку, кави, какао, тютюну.

Мікроорганізмам притаманна надзвичайно висока синтезуюча здатність. Різноманітні ферменти дозволяють їм застосовувати метан, бутан, інші вуглеводи та синтезувати з них складні органічні речовини (наприклад, культивуючи дріжджі на відходах нафти (парафінах), одержують цінні білково-вітамінні концентрати (БВК), що використовуються у тваринництві).