Химический состав микроорганизмов

Вода составляет основную мас­су микробной клетки. Ее количество в среднем колеблется от 75 до 85 %, в спорах — до 50%. В спо­рах вода нахо­дится в связанном состоянии, у вегетативных форм — в свобод­ном. Больше воды содержат молодые формы и меньше — зрелые. Свя­занная вода входит в состав молекул белков, углеводов, жиров и других соединений. Свободная вода служит средой, в которой происходит движение ионов и электрических зарядов. С участием воды осуществляются биохимические и физиологические процес­сы в клетке. Уменьшение ее ведет к замедлению жизнедеятельнос­ти (анабиоз), высушивание — даже к гибели вегетативных форм. Следовательно, вода — один из главных компонентов, с которым связана жизнедеятельность микробной клетки.

Сухого вещества в микробах в среднем 15—25%, в нем содержатся органогены, входящие в состав органических ве­ществ, и зольные элементы. Органические вещества представлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами. В их состав входят: углерод (45—55%), кислород (30—40%), азот (8— 10%), водород (6—8 %), содержание которых достигает 90—97 % сухого вещества.

Белки среди органических веществ занимают первое место: в теле патогенных микробов их количество составляет более половины сухого вещества, у других достигает 80%. Содержание белков зависит от вида микроорганизма и состава питательной среды. Такие вещества, как антигены, токсины, ферменты, представляют собой белки, что указывает на большое значение их в жизни микробной клетки.

Велика роль в жизни микробной клетки нуклеиновых кислот. Из других протеидов следует отметить хромопротеиды, участвующие в процессе дыхания, и ферменты, роль которых неизмеримо велика как катализаторов биологических процессов.

Углеводы в микробной клетке представлены полисахаридами. В цитоплазме углеводы могут встречаться в виде зерен крахмала и гликогена. Они служат главным образом энергетическим материа­лом, их содержание в микробной клетке от 12 до 28 %. В каждом из микроорганизмов имеется определенный полисахарид, что дает возможность дифференци­ровать их. Образующаяся на поверхности патогенных микробов капсула, состоящая из углеводов, обусловливает их вирулентность и выполняет защитную функцию.

Количество липидов может колебаться от 3,8 до 40% (дифте­рийная бактерия содержит 3,8 %, туберкулезная — 40 %). Липиды поддерживают определенную структуру цитоплазмы, входят в со­став цитоплазматических мембран. В микробной клетке липиды распределены неравномерно, их больше содержится в поверхност­ных слоях и оболочке клетки. Липиды и липоиды повышают ус тойчивость микробов к кислотам и другим веществам. Минеральные вещества разнообразны как по составу, так и по количеству. Они составляют от 2 до 14% сухого вещества клеток. В большем количестве встречаются фосфор, калий, натрий, сера, кальций, магний, железо, хлор, а также микроэлементы (цинк, медь, кобальт, барий, марганец и др.). Микроэлементы обнаруживаются в золе в очень малых коли­чествах, они входят в состав ферментов, витаминов и других ком­понентов микробной клетки.

 

 

Питание микроорганизмов.

Одно из основных свойств живого организ­ма — обмен веществ. Он включает в себя два процесса: 1) поступление из окружающей среды питательных веществ, необ­ходимых для синтеза составных частей микробной клетки; 2) вы­деление в окружающую среду продуктов жизнедеятельности. Хотя обмен веществ (метаболизм) делят на два процесса: анаболизм (ассимиляцию) и катаболизм (диссимиляцию), деление это услов­ное, так как в живой клетке они взаимосвязаны.

Микроорганизмы могут получать углерод из неорганических и органических углеродсодержащих соединений, в связи с чем их делят на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы. А с уче­том еще и источника энергии — доноров-электронов их разделяют хемолитотрофы, фотолитотрофы, хемоорганотрофы и фотолитотрофы.

Автотрофы (хемолитотрофы, фотолитотрофы) получают углерод из диоксида углерода (СО₂) воздуха и создают органичес­кое вещество при помощи энергии, освободившейся в процессе окисления некоторых минеральных соединений (хемосинтез), или энергии Солнца (фотосинтез). Энергия, образующа­яся в процессе окислительных реакций, используется бактериями для усвоения углерода и создания органического вещества.

Фотолитотрофы (цианобактерии, пурпурные серобак­терии и другие микробы) обладают фотосинтезирующей способ­ностью, так как содержат пигменты (красящие вещества). Пиг­менты фотолитотрофов по своему составу близки к хлорофиллу зеленых растений. Фотобактерии, как и растения, создают орга­ническое вещество, используя углерод из диоксида углерода и энергию солнца.

Автотрофы могут развиваться в чисто минеральных средах. Они не способны усваивать более сложные соедине­ния углерода и поэтому не являются патогенными для животных.

Гетеротрофы (хемоорганотрофы) — микроорганизмы, ко­торые для питания используют углерод из готовых органических соединений. Эта группа наиболее многочисленна по своему составу. Она включает в себя как сапрофитов, так и паразитов. Сапро­фиты, или метатрофы, питаются мертвой тканью животных и рас­тений. Паразиты, или паратрофы, используют для питания орга­нические соединения живых организмов и ведут паразитический образ жизни. Это возбудители инфекционных болезней.

Фотоорганотрофы (несерные пурпурные бактерии) являются факультативными анаэробами, которые могут развиваться как на свету, так и в темноте. Необходимую энергию они получают не только от солнца, но и в результате окисления органических веществ.

Теперь остановимся на основных химических элементах, необходимых микробной клетке для нормального метаболизма.

Азот входит в состав жизненно важных компонентов микроб­ной клетки — белков и нуклеиновых кислот. Источники азота для микробов разные, в связи с чем некоторые исследователи (Н. Д. Иерусалимский) делят их на группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Первые из них синтезируют белок из мине­ральных или простейших соединений азота, а также из воздуха; вторые используют главным образом готовые аминокислоты. Аминоавтотрофный тип питания свойствен большинству почвен­ных микробов, аминогетеротрофный — патогенным и некоторым сапрофитам. Установить резкую грань между автотрофами и гетеротрофами не всегда удается. Некоторые патогенные микробы во внешней среде ведут сапрофитный образ жизни, и наоборот, не­которые сапрофиты в зависимости от состояния макроорганизма могут вызывать заболевания.

Микробная клетка нуждается в минеральных веществах. По­требность в них невелика, но без некоторых элементов невоз­можны рост и развитие организма.

Калий активизирует ферментативные системы, ускоряет тече­ние физиологических процессов, в связи с чем его нельзя заме­нить другими элементами.

Магний входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий, активизирует карбоксилазу, пептидазу и другие ферменты. Магний в клетке находится в виде ионов.

На фосфор приходится почти половина всей золы, он вхо­дит в состав нуклеиновых кислот, в живой клетке находится в форме окисла (оксида) Р₂О₅, принимает активное участие в процессах дыхания (окисление).

Сера — один из компонентов белков, входящих в состав аминокислот: цистина, цистеина и метионина. Большинство микроорганизмов усваивают серу из сернокислых солей. Серо- и тионовые бактерии используют молекулярную серу.

Желе­зо необходимо в малых количествах. Оно входит в состав дыхательных ферментов, ускоряет процессы окисления. Железо содер­жится в туберкулезной, кишечной и других бактериях.

Микроэле­менты нужны микробной клетке еще в меньших количествах, но их отсутствие или недостаток ведут к нарушению нормального ро­ста и развития. Молибден, бор, марганец, кобальт, медь и другие микроэлементы являются компонентами многих ферментов и ви­таминов.

Факторы роста. Активаторы биологических процессов по свое­му действию напоминают витаминоподобные соединения. Нич­тожное количество активаторов в среде изменяет обмен веществ, ведет к увеличению массы микробных клеток. Особенно большую потребность в них испытывают те микроорганизмы, которые не способны синтезировать витамины. Дрожжи, азотобактер и другие микробы не только обеспечивают себя биологически активными веществами, но и выделяют их в окружающую среду, создавая тем самым благоприятные условия для развития других организмов. Некоторые микробы вырабатывают относительно большое коли­чество факторов роста. В связи с этим, например, пропионовокислые бактерии применяют в промышленности для получения вита­мина В₁₂ и других биологически активных веществ.

 

Дыхание микроорганизмов.

Дыхание микроорганизмов представляет собой био­логическое окисление различных органических соединений и не­которых минеральных веществ. В итоге окислительно-восстано­вительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное ко­личество выделяется в окружающую среду. В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидриро­вание), а восстановление — его присоединения. Эти термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и элек­тронов или только электронов. При окислении вещества происхо­дит потеря электронов, а при восстановлении — их присоединение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов — эквивалентные процессы.

Энергия, освобождаемая в процессе окислительно-восстановительных реакций, накапливается в макроэргических соединениях АДФ и АТФ (аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат). Эти соединенияимеют макроэргические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии. Они локализованы в сложно устроенных структурах микробных клеток — мезосомах, или митохондриях.

По типу дыхания микроорганизмы делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов.

Аэробное дыхание микроорганизмов — это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления главным образом сложных органических соединений образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление.

Полное окисление. Основной источник энергии у микроорганизмов —углеводы. В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до образования диоксида углерода и воды с выделением большого количества свободной энергии:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 674 ккал.

Неполное окисление. Не все аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, которые образуются плесневыми грибами. Так же осу­ществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями, в которых при окислении этилового спирта образуется не диоксид углерода и вода, а уксусная кислота и вода:

С₂Н₅ОН + О₂ → СН₃СООН + Н₂О + 116 ккал.

этиловый спирт уксус. к-та

 

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями мо­жет идти и дальше — до появления диоксида углерода и воды, при этом освобождается большое количество энергии:

С₂Н₅ОН + 3О₂ → 2СО₂ + 3Н₂О + 326 ккал.

этиловый спирт

 

Анаэробное дыхание осуществляется без участия молекулярного кислорода. Различают собственно анаэробное дыхание (нитратное, сульфатное) и брожение. При анаэробном дыхании акцепто­ром водорода являются окисленные неорганические соединения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восста­новленные формы. Нитратное дыхание — восстановление нитратов до молекуляр­ного азота. Сульфатное дыхание — восстановление сульфатов до сероводо­рода.

Брожение — расщепление органических углеродсодержащих соединений в анаэробных условиях. Оно характеризуется тем, что последнимакцептором водорода служит молекула органического вещества с ненасыщенными связями. Вещество при этом разлагаетсятолько до промежуточных продуктов, представляющих собой сложныеорганические соединения (спирты, органические кислоты). Заключенная в них энергия не используется микробами, а об разовавшаяся в небольших количествах энергия выделяется в ок­ружающую среду.

Типичными примерами анаэробного дыхания являются:

- спиртовое брожение (дыхание дрожжей в анаэробных условиях):

С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 27 ккал;

этилов. спирт

- молочнокислое брожение (дыхание молочнокислых бактерий):

 

С₆Н₁₂О₆ → 2С₃Н₆О₃ + 18 ккал;

молочн. к-та

- маслянокислое брожение (дыхание маслянокислых бактерий):

 

С₆Н₁₂О₆ → С₃Н₇СООН + 2СО₂ + 2Н₂ + 15 ккал;

маслян. к-та

 

Как видно из приведенных уравнений, при анаэробном дыхании освобождается значительно меньше энергии, чем при аэробном. Поэтому при анаэробном дыхании для того, чтобы обеспечить потребность в необходимом количестве энергии, микроорганизмам необходимо потреблять больше сахаров, чем при аэробном.

Большая часть энергии, образующейся при дыхании, освобождается в окружающую среду. Это вызывает нагревание продуктов, в которых развиваются микроорганизмы. Именно так нагревается вино, в котором происходит спиртовое брожение; нагревается влажное зерно, торф, сено.