Химический состав бактериальной клетки

Основой изучения физиологии бактерий является ис­следование химического состава этих микроорганизмов. Анатомия и химический состав бактерий являются рамками, а следовательно, и материалом, за счет которого развиваются жизненные процессы.

Химический состав прокариотов почти такой же, как и других живых организмов: состоит из двух компонентов — воды и сухого остатка, представленного смесью органических и минеральных со­единений.

Основу микробной клетки составляет вода — 80—90 % общей массы. Вода находится в свободном и связанном состоянии.

Свободно содержащаяся в клетке вода необходима бакте­риям как растворитель органических и минеральных соедине­ний; дисперсионная среда для коллоидов; источник водородных и гидроксильных ионов; фактор осмотического давления (тургор клетки).

С водой, как главным химическим компонентом структуры, связаны основные процессы жизнедеятельности бактериальной клетки — питание, дыхание, рост и размножение. Подчеркивая особую роль воды в определении химического состава и жизне­деятельности бактериальной клетки, необходимо обратить вни­мание на главную особенность — она должна быть биологически доступна для бактерий. Биологическая зона воды находится в тем­пературном диапазоне от 2 °С (или ниже в растворах с высоким осмотическим давлением) до 100 °С.

Сухой остаток (10—20 % массы бактерий) представляет собой смесь органических и минеральных соединений, основу которых составляют четыре элемента (так называемые органогены) — азот, углерод, водород и кислород, присутствующие в различных соче­таниях в молекулах и свободном состоянии.

Минеральный состав бактерий характеризуют фосфор, сера, натрий, магний, калий, кальций и др.

Органические компоненты химического состава бактерий представляют белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, витамины и др.

Более 50 % сухого остатка бактерий составляют белки, ответ­ственные за жизнеопределяющие функции всех организмов, в том числе и микроорганизмов.

Различают простые и сложные белки бактерий.

Простые белки (протеины) при гидролизе распадаются до ами­нокислот, которые бактериальная клетка использует как источ­ник углерода.

Сложные белки состоят из протеина (простого белка) и нук­леиновой кислоты. Сложные белки наиболее важны для жизнеде­ятельности бактерий. Они выполняют пластическую и строитель­ную функции; участвуют в процессе роста и размножения;

определяют видовые особенности бактерий; характеризуют анти­генные и иммуногенные свойства; ответственны за наследствен­ную передачу видовых признаков; обладают токсичностью и ви­рулентностью; в составе ферментов характеризуют биохимическую активность бактерий.

Нуклеиновые кислоты (10—30 % сухого остатка) представлены у бактерий двумя типами — ДНК и РНК. ДНК содержится в со­ставе бактериальной хромосомы, РНК — в рибосомах, зернистых включениях. Биологическая роль молекулы ДНК связана с опре­делением наследственных свойств бактерий. РНК (информаци­онная, транспортная, рибосомальная) выполняет соответствую-

щие функции в информационной потребности клетки, в синтезе белков.

Углеводы составляют 10—30 % сухого остатка, представлены в виде моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов. Их функции:

пластическая;

энергетическая;

агрессивность, токсичность, аллергенность;

типовая специфичность;

питательная и запасная (гликоген, крахмал).

По содержанию азота бактериальные полисахариды подраз­деляются на азотсодержащие полисахариды, например, гексозамины (глюкоза + глюкозамин); безазотистые полисахариды (по­лимеры альдобионовой кислоты).

При полном гидролизе бактериальные полисахариды образу­ют глюкозу и глюкуроновую кислоту.

Липиды у большинства бактерий составляют 5—10 %, у дрож-жеподобных грибов и микобактерий достигают до 40 % сухого остатка.

В составе микроорганизмов липиды встречаются в виде про­стых жиров (глицерин и высшие кислоты) и сложных липидов (фосфолипиды).

Значительная часть липидов находится в комплексной связи с белками и углеводами. Они являются необходимыми компонен­тами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки и вы­полняют роль запасных питательных веществ; энергетического ма­териала; фактора устойчивости микроорганизмов к действию внешней среды (спора, клеточная стенка микобактерий).

Минеральный состав микроорганизмов представлен большей частью элементов таблицы Менделеева. Минеральные вещества входят в состав различных клеточных структур бактерий. Общее их содержание в расчете на зольный остаток после сжигания бак­терий составляет 2—30 % и зависит от вида и той питательной среды, в которой выращивались бактерии.

В составе золы бактерий преимущественно определяются окиси металлов - Р₂0₅, (9-50 %), Nа₂0 (11-33 %), К₂О (7-25 %), Мg0 (0,1-9 %), СаО (7-12 %), в виде неорганических примесей — также Si, Сl, Аl, Сu, Мn и др.

Основное назначение минералов

1. Регуляторы осмотического давления, рН, окислительно-восстановительного потенциала.

2. Катализаторы активности бактериальных ферментов.

3. Обязательная составная часть главных органоидов бактери­альной клетки, ответственных за ее жизнедеятельность и жизне­способность, так:

P - составная часть нуклеиновых кислот;

Fе — компонент цитохромоксидазы, каталазы, пероксидазы;

Сu — составляющая дыхательных ферментов;

S — неорганический компонент белков и аминокислот.

Ростовые вещества — факторы роста, биоактиваторы — важ­нейшие регуляторы обменных процессов, роста и размножения микроорганизмов. В зависимости от фактора роста микрооргани­змы подразделяются на:

прототрофы — способные синтезировать все необходимые для Сроста и размножения органические соединения;

ауксотрофы — их рост и размножение невозможны при от-cутствии вещества, которое бактериальная клетка не способна или утратила способность синтезировать.

Непременным условием роста и размножения ауксотрофов является обязательное присутствие в среде обитания необходимого вещества. К факторам роста относятся, прежде всего, витамины (В₁ — тиамин, В₂ — рибофлавин, В₆ — пиридоксин, Н — биотин, В₁₂— цианкобаламин, РР — никотиновая кислота, витамин К₁ — филлохинон). Ауксотрофы нуждаются также в поступлении извне определенных аминокислот. Для каждого представителя ауксо-трофов такая аминокислота строго определенная и незаменимая. Потребность микроорганизмов в факторах роста не является постоянной и может изменяться в зависимости от:

условий культивирования. Так, плесневый гриб Мuсоr rouuuxii нуждается в витаминах В₁, В₆ лишь при росте в анаэробных усло-виях, а в аэробных условиях эти витамины он синтезирует самос­тоятельно;

химического состава окружающей среды. Большинство вита-минов входит в состав коферментов, поэтому микроорганизмы могут обойтись без необходимых витаминов, если продукты соот-ветствующей ферментативной реакции содержатся в самой среде.

Таким образом, потребность в витаминах выражает иногда потребность в недостающем ферменте или продуктах его актив-кности.

Пример. Возбудитель дифтерии нуждается в пантотеновой кислоте. Одновременно известно, что пантотеновая кислота синтезируется из пантоевой кислоты и β-аланина. Поэтому потребность дифтерийной палочки в пантотеновой кислоте можно удов-летворить, внеся в питательную среду β-аланин.