Химический состав микроорганизмов

Грибы

Вирусы

Другая вездесущая группа микроорганизмов - вирусы. Они значительно отличаются от всех остальных живых существ. Виру­сы не способны к росту в обычном понимании этого слова, они «появляются на свет» такими, как есть. Вирусы размножаются уникальным способом: путем воспроизведения себя из собствен­ной нуклеиновой кислоты (НК) за счет развития в клетках других организмов. Правда, делают это они часто ценой жизни клетки, в которой размножаются, - вирусы являются внутриклеточными паразитами. Средой обитания вирусов служат клетки бактерий, растений, животных и человека. На искусственных средах вирусы не растут. Вирусная частица называется вирионом. Он состоит из НК, окруженной одной или двумя оболочками. Оболочка, в кото­рую упакована НК, называется капсидом (от лат. capsa - ящик). Вирусы бывают в виде спирали, куба, составные (например, у фа­гов головка имеет вид куба, а хвостик - спирали) и сложноорга­низованные, с двумя оболочками (рис. 7).

Жизненный цикл вирусов можно представить в виде следую­щих стадий. На первой стадии вирус прикрепляется к поверхно­сти выбранной им клетки. Далее вирусная НК попадает внутрь клетки (это может происходить различными путями). Проникнув в клетку, вирусный геном полностью подчиняет жизнь клетки сво­им интересам. Внутри клетки начинается синтез вирусных частиц. Когда процесс заканчивается, вирусы выходят из клетки, и обыч­но после этого она гибнет.

Вирусы микроорганизмов называются фагами (рис. 8), вирусы бактерий - бактериофагами, вирусы грибов - микофагами, виру­сы синезеленых водорослей - цианофагами. Интересно отметить, что после внедрения в клетку одного фага становится невозмож­ным проникновение в нее других фагов. Процесс внутриклеточно­го размножения фагов может закончиться уже через 13 мин, и из одного фага в клетке синтезируется 200...300 новых вирионов. Бла­годаря своему разрушающему действию на бактерии фаги приме­няются в лечебно-профилактических целях при различных заболе­ваниях (дизентерия, холера, гнойные заболевания). Фаги широко используются для изучения генетики микроорганизмов.

Плесневые грибы - огромная группа микроорганизмов, оби­тающих в окружающем пространстве. Грибы используют для пи­тания разные вещества и могут развиваться на самых разных суб­стратах (включая различные товары: пищевые продукты, а также ткани, упаковочные материалы и др.).

Грибы - эукариоты. Клетки грибов могут иметь одно или не­сколько ядер. Клетки грибов имеют клеточную стенку. Грибы не­подвижны, им свойствен неограниченный верхушечный рост, т. е. они способны развиваться в любую сторону от центра колонии при достатке питательных веществ. Грибы не имеют хлорофилла, они не способны к синтезу органических веществ из углекислого газа и поэтому нуждаются в готовых органических веществах. Не­которые грибы могут синтезировать витамины и различные орга­нические вещества.

В природе грибы обитают практически везде: в воде, в почве, на растениях и животных. Грибы ведут различный образ жизни. Существуют грибы-паразиты, грибы-сапрофиты и грибы-симби­онты. Грибы-паразиты поселяются в другом организме (или на его поверхности) и используют питательные вещества его тела для своего развития. Грибы-симбионты живут в содружестве с други­ми организмами. Например, в симбиозе с корнями высших расте­ний обитают многие шляпочные грибы, и съедобные, и ядовитые. Многочисленные грибы, развивающиеся на продовольственных товарах, промышленных материалах и изделиях, вызывают их порчу и разрушение.

Некоторые плесневые грибы способны вырабатывать токсич­ные (ядовитые) для человека вещества - микотоксины. При упо­треблении продуктов, содержащих микотоксины, возникают забо­левания - микотоксикозы, которые являются пищевыми отравле­ниями. Микотоксины часто содержатся в зерновых продуктах, орехах и практически во всех заплесневевших продуктах. Заболе­вания животных и человека, возникающие при развитии на жи­вом организме или внутри него (например, в легких) плесневых грибов, называются микозами.

Тело большинства грибов представлено грибницей, или мице­лием. Мицелий состоит из ветвящихся нитей - гиф (рис. 9). Если гифы не имеют перегородок (септ), мицелий называется несепти­рованным (см. рис. 9, а), а если септы делят его на клетки - сеп­тированным (см. рис. 9, 6). Диаметр гиф от 5 до 15 мкм и более. Растут гифы вершиной или концами разветвлений.

Тело некоторых грибов представляет собой одиночные округлые или удлиненные клетки - дрожжи. Это очень активные микробы, которые приносят много неприятностей при попадании на товары, особенно продовольственные. При развитии плесневых грибов гифы образуют воздушный ми­целий, который хорошо виден невооруженным глазом. Он раз­вивается в виде пушистых, пау­тинообразных или тонких нале­тов, пленок. Другие гифы разви­ваются в субстрате, образуя субстратный мицелий. Эти гифы проникают внутрь субстрата, пронизывают его и всасывают воду и питательные вещества.

Гифы отдельных грибов могут переплетаться и срастаться меж­ду собой. Из плотного сплетения гиф состоят плодовые тела гри­бов, в которых находятся органы размножения. Многие грибы имеют ярко окрашенный воздушный мицелий: белый, коричне­вый, черный, желтый, зеленый и др. Колонии гриба (рис. 10) могут быть различной консистенции: пушистые, ватообразные, бархати­стые, ворсистые, пленчатые, и др.

Как уже говорилось, плесневые грибы - эукариоты, их клетки (рис. 11) имеют ядро 5. Ядро заполнено нуклеоплазмой, внутри него находятся хромосомы, содержащие ДНК. Внутри клетка гри­бов, так же как и бактериальная клетка, заполнена цитоплазмой 3, в которой содержатся различные органоиды. В митохондриях 2 осуществляются энергетические процессы, и синтезируется адено­зинтрифосфат (АТФ) - вещество, богатое энергией. В эндоплаз­матической сети 1 происходит синтез различных веществ (липи­дов, углеводов и др.). В клетках грибов имеется аппарат Гольд­жи 9 - мембранная система, связанная с эндоплазматической сетью. В рибосомах 8 происходит синтез белка. Лизосомы 10 со­держат ферменты, которые переваривают (расщепляют) поступа­ющие извне белки, углеводы, липиды.

Грибы могут размножаться бес­полым и половым путем. Например, бесполое размножение может про­исходить при отделении части ми­целия или особых клеток, которые дают начало новой колонии плесне­вого гриба. Например, молочная плесень размножается отдельными клетками - оидиями, образующи­мися в результате расчленения гиф (рис. 12).

Основной бесполый способ раз­множения - это размножение с помощью спор. Споры образуются у грибов на вершинах гиф воздуш­ного мицелия, которые внешне отличаются от других гиф. В за­висимости от вида спор и их расположения такие гифы называ­ются конидиеносцами и спорангиеносцами. Конидии (конидии­споры) образуются непосредственно на конидиеносце или на специальных клетках, расположенных на его вершине (стериг­мах). У некоторых грибов споры образуются внутри особых, бо­лее крупных клеток, развивающихся на концах гиф и называе­мых спорангиями. Находящиеся внутри них споры называют спо­рангиоспорами. Именно окраска спор (и спорангиоспор, и конидии­спор) обусловливает цвет плесне­вых грибов. В процессе развития грибов конидииспоры созревают и осыпаются с конидиеносцев. При созревании спорангиоспор споран­гии лопаются, и споры высыпают­ся из них. Споры могут разносить­ся потоками воздуха на большие расстояния. Попав в благоприят­ные условия, споры прорастают в гифы и образуют новые колонии. Для того чтобы продукт заплесне­вел, достаточно попадания на него одной споры плесени.

В основе классификации плес­невых грибов лежат прежде всего строение мицелия и тип размножения. Традиционно в пищевой микробиологии выделяют зигомицеты, аскомицеты, базидиоми­цеты и др. Например, к зигомицетам относят грибы класса муко­ровых (Мисоrасеае), которые широко распространены в природе. Многие мукоровые грибы вызывают порчу продовольственных и непродовольственных товаров. Мукоровые грибы развиваются на поверхности продуктов в виде пушистой белой или серой мас­сы. Наибольшее значение из мукоровых грибов имеют мукор и ризопус. Грибы из рода мукоровых, имеют крупные спорангии (рис. 13,6) образующиеся на спорангиеносцах. Грибы рода ризо­пус (Rhizopus) образуют неветвящиеся, окрашенные в темно-бурый цвет спорангиеносцы (рис. 14, В), растущие пучками (кустиками), у осно­вания которых имеются корневидные образования - ризоиды (рис. 14, а). Бла­годаря ризоидам гриб прикрепляется к субстрату и распространяется очень бы­стро с помощью длинных стелющихся гиф (столонов) (рис. 14, 6), напоминаю­щих усы земляники. Гифы могут соеди­няться в тяжи, которые достигают не­скольких метров в длину. Гифы снабжа­ют мицелий водой и питательными веществами. Развитие ризопуса на яго­дах и овощах вызывает у них «мягкую гниль» - полное разрушение тканей.

К самым распространенным среди аскомицетов грибы родов аспергиллус (Aspergillus) и пенициллиум (Penicillium). Аспергил­лы (рис. 15) имеют одноклеточные, неразветвленные конидиенос­цы, на расширенных верхушках которых расположены один или два яруса стеригм с цепочками конидий. Конидии бывают различ­ной окраски (зеленоватые, желтые, коричневые), чаще округлой формы. У пенициллиумов конидиеносцы (рис. 16, а) многоклеточ­ные, ветвящиеся. На концах разветвлений конидиеносца находят­ся стеригмы с цепочками конидий (рис. 16, б). Конидии бывают зеленой, голубой, серо-зеленой окраски или неокрашенными. Верхняя часть конидиеносца похожа на кисточку, отсюда и назва­ние гриба - пенициллиум (кистевик).

Аспергилловые и пеницилловые грибы часто портят пищевые продукты, промышленные изделия и материалы. Вместе с тем некоторые их представители используются в промышленности. Например, Asp. niger применяются в производстве лимонной кис­лоты, отдельные виды Penicillium - при изготовлении лечебного препарата пенициллина. Реп. roqueforti играет важную роль в про­изводстве сыра рокфора, а Реп. camemberti - в производстве сыра камамбера.

Некоторые аспергиллы являются патогенными, они вызывают заболевания - аспергиллезы (дыхательных путей, кожи, слизи­стой полости рта) у человека и животных. Многие аспергиллы вы­деляют ядовитые для животных и человека вещества (афлатокси­ны), которые оказывают негативное, в том числе канцерогенное, воздействие.

К аскомицетам также относятся и другие плесневые грибы.

Склеротиния (Sclerotinia) - распространенный возбудитель белой гнили плодов и овощей (моркови, свеклы), опасный при их хранении. Мицелий склеротинии пронизывает пораженный объ­ект, образуя на его поверхности белый хлопьевидный налет. По мере развития плесени на ее поверхности появляются темные склероции размером с горошину и даже больше. Конидии у этого гриба не образуются.

Спорынья (Claviceps рurрurеа) - паразит хлебных и кормовых злаков. При поражении растения в соцветиях на месте обыкно­венных зерен образуются склероции - твердые, похожие на ро­жок тела темно-фиолетового цвета. Опавшие на землю склероции хорошо перезимовывают, и весной на них развиваются плодовые тела, в которых находятся сумки со спорами. Созревшие аскоспо­ры высыпаются из плодового тела и переносятся ветром на цветы злаков, где споры прорастают в мицелий со спорами.

Этот плесневый гриб портит внешний вид колоска, но самое главное - склероции ядовиты. Они содержат алкалоиды - веще­ства, токсичные для человека и животных. Попадание этих мико­токсинов в организм человека приводит к заболеванию, называе­мому эрготизм.

К плодосумчатым аскомицетам относятся также трюфели и сморчки, плодовые тела которых издавна употребляют в пищу.

Трюфели образуют подземные клубнеобразные плодовые тела мясистой или хрящеватой консистенции темного цвета, достигаю­щие размера клубней картофеля.

Сморчки имеют крупные, мясистые плодовые тела со складча­той бурой поверхностью. Плодовые тела состоят из ножки и шляп­ки, в которой слоями располагаются сумки со спорами. Сморчки считают условно-патогенными грибами.

Базидиомицеты - это высшие грибы с клеточным мицелием.

Органами полового размножения у таких грибов служат базидии (одноклеточные или многоклеточные) с базидиоспорами. Базидии с базидиоспорами могут развиваться непосредственно на мицелии и в плодовых телах. Существуют базидиомицеты с многолетним мицелием.

Базидиальные грибы с одноклеточными базидиями широко распространены в природе. Большинство из них живут в почве, на растительных остатках, некоторые - на деревьях. Базидии с бази­диоспорами у многих грибов развиваются слоями на плодовых те­лах или внутри них. Известные всем шляпочные и трутовые грибы относятся к базидиомицетам.

Шляпочные грибы имеют однолетнее плодовое тело, состоя­щее из шляпки и ножки. Его-то мы и называем грибом и употреб­ляем в пищу. Нижняя поверхность шляпки состоит из пластинок (например, у сыроежки, опенка) или трубочек (у белого гриба, подберезовика и др.). На боковых поверхностях пластинок и на внутренних стенках трубочек находятся базидии со спорами. Мно­гие шляпочные грибы съедобны. Грибница шляпочных грибов (многолетний мицелий) живет в почве.

Мицелий трутовых грибов живет в древесине и разрушает ее. Трутовые грибы могут обитать в живой (в стволах и корнях де­ревьев) и мертвой (заготовительной и обработанной в постройках) древесине. Плодовые тела этих грибов образуются на поверхно­сти пораженной древесины. У большинства трутовых грибов пло­довые тела многолетние. Они разнообразны по форме, величине, консистенции и окраске, бывают рыхлыми, плотными, деревяни­стыми, в виде корочек, копытообразными.

Домовые трутовые грибы поражают деревянные здания, склад­ские помещения, нередко обнаруживаются в подвалах на деревян­ных полках, бочках и других предметах. Наиболее опасным из них является настоящий домовый гриб (Serpula lacrymans). Этот гриб в природе не встречается, а живет только в постройках. На поражен­ных им предметах образуется ватообразный мицелий с желтоваты­ми или розоватыми пленками. Плодовое тело домового гриба мясисто-пленчатое. При повышенной влажности воздуха гриб рас­пространяется очень быстро. Из сросшихся гиф длиной до несколь­ких метров образуются длинные нити. При развитии гриба древе­сина размягчается и сгнивает, что наносит большие убытки.

Существуют еще необычные грибы, состоящие из отдельных клеток, - это дрожжи. Их клетки устроены подобно клеткам гри­бов. Форма дрожжей бывает разной: круглой, овальной, лимоновидной, треугольной и др. Наиболее распространенным способом размножения у дрожжей является почкование. На поверхности материнской клетки образуется маленький бугорок, в который переходит часть равноценного содержания исходной клетки. До­черняя клетка растет и в итоге может либо отпочковаться от мате­ринской, либо остаться в соединенном с ней состоянии. Если по­чек много (а каждая из них может, в свою очередь, начать почко­ваться), то образуются сростки почкования. Дрожжи - очень активные микроорганизмы, часто вызывающие порчу пищевых продуктов. В дрожжах могут образовываться споры, которые по­могают им пережить неблагоприятные условия и служат для их размножения.

Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов, как и других живых существ, находятся в тесной зависимости от среды их оби­тания. Несмотря на микроскопический размер, микробы - живые существа, они растут, дышат, питаются, размножаются и выделяют продукты своей жизнедеятельности в окружающую среду. Все пе­речисленные процессы протекают у микроорганизмов по-своему. Знание этих процессов позволяет управлять их жизнедеятель­ностью, использовать ее в практических (полезных для человека) целях и находить средства борьбы с ними, когда это необходимо.

Конечные продукты обмена веществ микроорганизмов очень разнообразные: кислоты, спирты, углекислый газ, водород и др. Эти продукты обмена выделяются микробной клеткой во внеш­нюю среду. У микроорганизмов необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна микробная клетка потребляет пищу, масса которой в 40 раз больше массы са­мой клетки.

Из чего же состоят микробные клетки? Углерод, кислород, во­дород, азот являются основой органического вещества микроорга­низмов. Всего четыре элемента составляют в среднем 90% сухого вещества клетки. Примерно 50% составляет углерод, 30% - кис­лород и по 10% - водород и азот. На оставшиеся 10% приходится доля других элементов, называемых зольными (или минеральны­ми): в клетке преобладает фосфор, а микроэлементы: медь, цинк, марганец, молибден и другие - содержатся в ней в крайне малых количествах.

Большую часть массы живой микробной клетки составляет вода - в среднем 80 %. Все вещества поступают в микробную клетку и удаляются из нее с водой. Вода участвует во многих хи­мических реакциях, протекающих в клетке. В состав сухого веще­ства входят преимущественно органические соединения - белки, углеводы, липиды и др.

Белки являются основными компонентами клетки. Их содер­жание у разных микроорганизмов существенно отличается: в клет­ках бактерий в среднем содержится 60% белков (сухого вещества), в клетках дрожжей - 50%, грибов - 30%. Белкам принадлежит огромная роль в жизни микроорганизма. Интересно, что микроб­ные белки по аминокислотному составу сходны с белками других живых организмов. В состав клеток микроорганизмов входят ну­клеиновые кислоты (ДНК и РНК). В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация микробной клетки.

Углеводы составляют в среднем 20% сухого вещества у бакте­рий и до 50% сухого вещества у грибов и дрожжей. Они входят в состав клеточных мембран микроорганизмов, используются для синтеза различных веществ в клетке и в качестве энергетическо­го материала. Углеводы могут откладываться в клетке как запас­ные питательные вещества. В теле микроорганизмов углеводы встречаются преимущественно в виде полисахаридов - гликоге­на, гранулезы (углевод, близкий к крахмалу), декстрина, клетчат­ки и др.

Липиды составляют до 10% сухого вещества у бактерий и до 50% у некоторых дрожжей и плесеней. Липиды входят в состав цитоплазматической и других мембран и могут откладываться в виде запасных питательных веществ.

Минеральные вещества представлены в основном солями: сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами и др. Минераль­ные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточ­ного осмотического давления, коллоидного состояния цитоплаз­мы, биохимических реакций, служат стимуляторами роста клетки и активаторами ферментов.

Особые белки, являющиеся катализаторами всех биохими­ческих реакций, протекающих в клетках микроорганизмов, называются ферментами. Интересно, что каждый фермент взаи­модействует только с одним определенным веществом и катализи­рует только его превращение. Ферменты обладают очень высокой активностью. При благоприятных условиях 1 г амилазы (фермен­та, катализирующего превращение крахмала в сахарозу) может превратить в сахар 1 т крахмала. Характерной особенностью фер­ментов является субстратная специфичность - субстрат и фер­мент подходят друг к другу, как ключ к замку. Работа фермента начинается со связывания субстрата с ферментом и образования комплекса фермент - субстрат. По окончании реакции комплекс фермента с продуктами реакции (в которые превратился субстрат) распадается с высвобождением исходного фермента и конечных продуктов ферментативного процесса.

Ферменты отличаются высокой чувствительностью к действию различных факторов внешней среды (температура, кислотность или щелочность среды, присутствие химических веществ и др.). Как только действие фактора превышает возможности фермента, он перестает работать и начинает разрушаться. Потеря активно­сти фермента называется инактивацией.

У микроорганизмов существуют особые адаптивные фермен­ты. Эти ферменты позволяют клетке микроорганизма приспособиться к условиям окружающей среды. Например, микроорганизм, не использующий для питания мальтозу, можно приучить к ней, если выращивать на среде с этим углеводом. Естественно, что мальтоза должна быть единственным источником углевода, тогда микроорганизм научится ее использовать.

Все ферменты микроорганизмов делятся на две группы: экзо­ферменты и эндоферменты. Экзоферменты выделяются микро­организмами наружу (в среду). За счет экзоферментов происходит внеклеточное «переваривание» пищи - расщепление сложных веществ субстрата на простые, способные проникать в клетку. Эндоферменты - это внутриклеточные ферменты. Они участву­ют во всех внутриклеточных процессах обмена веществ и не вы­деляются при жизни клетки в окружающую среду.

Ферменты вырабатываются микробной клеткой в течение всей ее жизни. Интересно, что и после гибели клеток микроорганизмов ферменты временно остаются в активном состоянии. Известен процесс автолиза (от греч. autos - сам, lysis - разложение, рас­пад). Это саморастворение или самопереваривание микробной клетки под влиянием ее внутриклеточных ферментов. После раз­рушения клеток ферменты поступают в среду - в субстрат, где развивались микроорганизмы. Важно помнить, что качество про­дуктов может снижаться за счет действия ферментов, попавших в среду из разрушенных клеток при отсутствии живых микробов. Замена культур микроорганизмов их ферментами дает большие преимущества в промышленности. Препараты грибных амилоли­тических ферментов применяют при производстве этилового спирта из крахмалсодержащего сырья (вместо зернового солода). В хлебопекарной промышленности их используют взамен солода при изготовлении заварного ржаного хлеба. С помощью грибной глюкоамилазы получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу из крахмала. Грибные ферментные препараты применя­ют также в сокоморсовом производстве и виноделии.

Дата добавления: 2015-04-30