Хімічний склад бактеріальної клітини

ФІЗІОЛОГІЯ ПРОКАРІОТІВ

Предмет фізіології бактерій — дослідження функцій, тоб­то всіх фізичних, хімічних і біологічних процесів, що відбуваються в бактеріальній клітині, а також фізичних, хімічних і біологічних перетворень, спричинених мікроорганізмом у навколишньому се­редовищі.

Основою вивчення фізіології бактерій є дослідження хі­мічного складу цих мікроорганізмів. Анатомія і хімічний склад бак­терій є рамками, а отже, і матеріалом, за рахунок якого розвива­ються життєві процеси.

Хімічний склад прокаріотів майже такий, як і в інших живих організмів: складається з двох компонентів — води і сухого залиш­ку, представлених сумішшю органічних і мінеральних сполук.

Основу мікробної клітини складає вода — 80...90 % загальної маси. Вода знаходиться у вільному і зв'язаному стані.

Вода, яка вільно міститься в клітині, необхідна бактеріям як розчинник органічних і мінеральних сполук; дисперсійне середо­вище для колоїдів; джерело водневих і гідроксильних іонів; фактор осмотичного тиску (тургор клітини).

З водою, як головним хімічним компонентом структури, по­в'язані основні процеси життєдіяльності бактеріальної клітини — живлення, дихання, ріст і розмноження. Підкреслюючи особливу роль води у визначенні хімічного складу і життєдіяльності бактері­альної клітини, необхідно звернути увагу на головну особливість — вона має бути біологічно доступна для бактерій. Біологічна зона води перебуває в температурному діапазоні від 2 °С (або нижче в розчинах з високим осмотичним тиском) до 100 °С.

Вода в клітині міститься в двох станах: вільна - є розчинником, бере участь у процесах асиміляції та дисиміляції; зв 'язана з клітинни­ми колоїдами.

З прикладного погляду, що відповідає інтересам біотехнології, для оцінки стану води в клітині важливим є принцип використання енергії зв'язку, яким вода асоційована із структурами та метаболітами кліти­ни. Виходячи з цього, може бути запропоновано три типи зв'язку:

1) хімічно зв 'язансі вода. У цьому разі енергія зв'язку досягає най­більшого значення. Практично ця вода не вилучається, якщо не засто­совувати спеціальних методів. При тепловому висушуванні вона збе­рігається в клітинах;

2) вода, яка має фізико-хімічну форму зв 'язку. До такої води на­лежить адсорбційно та осмотично зв 'язана вода. Адсорбційно зв 'язана вода утворює, як правило, мономолекулярний шар. За властивостями вона відрізняється від звичайної води. Так, в адсорбційно зв'язаній воді не розчиняються ті речовини, які є розчинними у звичайній воді. Питома теплоємність адсорбційно зв'язаної води менша за одиницю, замерзає така вода при температурі, значно нижчій від нуля. Частина такої води не замерзає навіть при -78 °С. Адсорбційно зв'язана вода має підвищену густину.

Кількість осмотично зв 'язаної води значно вища від адсорбційно зв'язаної. За фізико-хімічними властивостями осмотично зв'язана вода не відрізняється від звичайної вільної води. Вміст осмотично зв'язаної води регулюється завдяки структурним та функціональним особливос­тям цитоплазматичної мембрани і залежить від концентрації розчин­них компонентів клітини, зокрема мінеральних речовин. Осмотично зв'язана вода може бути вилучена при висушуванні біомаси;

3)3) механічно зв 'язана вода. Вона, як правило, не входить до складу самої клітини і легко видаляється з біомаси при фільтрації або під ва­куумом при слабкому нагріванні.

Елементний склад клітини

Сухий залишок (10—20 % маси бактерій) — це суміш органіч­них і мінеральних сполук, основу яких складають чотири хімічні елементи (так звані органогени): нітроген, карбон, гідроген і оксиген, що містяться в різних сполученнях у молекулах і вільному стані.

До складу бактеріальної клітини входять такі елементи (% до маси сухої речовини): вуглець— 50; кисень- 20; азот— 10—14; водень- 8; фосфор- 3; сірка, калій, натрій- 1; кальцій, магній, хлор— 0,5; залі­зо - 0,2; решта елементів - близько 0,3.

Вуглець, кисень, водень та азот є основними компонентами орга­нічних сполук, з яких побудована клітина. Сірка необхідна для синтезу амінокислот цистеїну та метіоніну, а також деяких коферментів. Фосфор входить до складу нуклеїнових кислот, фосфоліпідів, тейхоєвих кислот і таких нуклеотидів, як АТФ, ГТФ, НАД та ФАД. Іони калію, магнію, кальцію та заліза є кофакторами ферментів і компонентами мєтадокомп-лексів. Так, більшість біологічно активних фосфорних ефірів міститься в клітинах у вигляді комплексів з магнієм. Іони заліза входять до складу компонентів дихального ланцюга (цитохроми, залізосіркові білки).

Органічні компоненти хімічного складу бактерій — білки, нук­леїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди, вітаміни та ін.

Понад 50 % сухого залишку бактерій складають білки, відпові­дальні за життєвизначальні функції всіх організмів, у тому числі і мікроорганізмів.

Розрізняють прості і складні білки бактерій.

Прості білки (протеїни) при гідролізі розпадаються до амінокис­лот, які бактеріальна клітина використовує як джерело вуглецю.

Складні білки складаються з протеїну (простого білка) та речовин небілкової природи.

До складу бактеріальних білків входять ті самі 20 найважливіших амінокислот, що і до складу білків рослин і тварин. Амінокислотний склад білків різних видів бактерій кількісно та якісно різний. Так, у складі білків сарцин міститься багато лізину, у бацил - глутамінової кислоти. Більшість бактерій самі синте­зують всі необхідні їм амінокислоти (наприклад, Escherichia col і). Але деякі бактерії не мають такої здатності і потребують готових аміно­кислот, які вносять у поживне середовище. Це так звані ауксотрофи.

За біологічними функціями білки є ферментами, токсинами, анти­генами*, транспортними білками (див. табл. 7.1). Антиген - речовина, яка сприймається організмом' як чужорідна і яка ви¬кликає імунну відповідь: з'єднання із специфічними білками- антитілами або поглинання особливими клітинами.

Антитіло - білок (імуноглобулін), що синтезується організмом на введення антигену. Комплекс антиген-антитіло нерозчинний, він поглинається спеціальни¬ми клітинами і переварюється ними або виводиться з організму

Нуклеїнові кислоти (10—30% сухого затишку) представлені в бактерій двома типами — ДНК і РНК. ДНК міститься в складі бактеріальної хромосоми, РНК — у рибосомах, зернистих вклю­ченнях. Біологічна роль молекули ДНК пов'язана з визначенням спадкоємних властивостей бактерій. РНК (інформаційна, транс­портна, рибосомальна) виконує відповідні функції в інформацій­ній потребі клітини, у синтезі білків.

Вуглеводи. У бактеріальній клітині міститься 12-30 % вуглеводів від її сухої маси. Представлені вуглеводи моно- та полісахаридами.

Полісахариди мікроорганізмів - це надзвичайно різноманітна гру­па біополімерів, серед яких є сполуки, характерні як для прокаріотів, так і для еукаріотів (глікоген, целюлоза). Але у бактерій виявлені по­лісахариди, які не зустрічаються в інших організмів (тейхоєві кислоти, пептидоглікани, ліпополісахариди).

Полісахариди мікроорганізмів поділяються на внутрішньо-(ендо-) та позаклітинні (екзо-). Ендополісахариди виконують функції запасних речовин, є структурними компонентами (входять до складу клітинної стінки, цитоплазматичної мембрани), ендотоксинами та ін. Екзополісахариди утворюють капсулу або виділяються в культуральну рідину. Це речовини з молекулярною масою до І 000 000, гідрофільні. з негативним зарядом. В основному представлені гетерополісахаридами, але є і гомополісахариди, наприклад, глюкани (складаються тільки з глюкози), левани (до складу яких входить тільки фруктоза).

Ліпіди. Представлені у бактерій вищими жирними кислотами, фосфоліпідами, нейтральними жирами, восками.

Вищі жирні кислоти. Насичені жирні кислоти широко зустріча­ються у бактерій, ненасичені кислоти представлені виключно кисло­тами з одним подвійним зв'язком (наприклад, олеїнова). У бактерій виявлені міколові кислоти. Цс полі-оксикислоти з довгим алі­фатичним ланцюгом, вони локалізовані в клітинних стінках нокардіо-та корінебактерій, зумовлюють гідрофобний характер клітин:

це R_t і R,- аліфатичні ланцюги, що містять від 20 до 90 атомів вуглецю.

Наявність міколових кислот, а також високий вміст інших ліпідів зумовлюють кислотостійкість деяких бактерій (мікобактерій), а та­кож здатність використовувати гідрофобні субстрати (наприклад, па­рафіни нафти). Кількісний і якісний склад жирних кислот змінюється з віком культури, а також залежить від умов культивування.

Фосфоліпіди (фосфогліцериди, гліцерофосфати) представлені фос-фатидною кислотою, фосфатидилсерином, фосфатидилетаноламіном, фосфатидилхоліном та ін. Основна маса ліпідів міститься в цитоплаз­матичних мембранах і клітинних оболонках. Фосфоліпіди бактерій по­дібні до фосфоліпідів рослин і тварин, але відрізняються від них за складом жирних кислот. У бактеріальних фосфоліпідах переважають жирні кислоти з розгалуженим ланцюгом (15-17 атомів вуглецю), у рослинних і тваринних ліпідах - нерозгалужені кислоти. У бактерій значно рідше зустрічається лецитин (фосфатидилхолін).

Нейтральні жири (ацилгліцерини або гліцериди) найчастіше міс­тять пальмітинову, масляну, лауринову, лінолсву жирні кислоти.

Воски (складні ефіри жирних кислот з довгим ланцюгом і спиртів) містять кислотостійкі бактерії, наприклад, мікобактерії. Так, у тубер­кульозній паличці міститься до 60 % воску.

Бактерії, на відміну від дріжджів і грибів, не містять як обов'язкові компоненти поліненасичені жирні кислоти, не містять і не потребують (за винятком однієї групи мікоплазм) стеринів та стероїдів.

Пігменти бактерій. Серед бактерій є велика кількість пігмен­тованих видів. Пігменти синтезуються бактеріями залежно від умов вирощування - складу середовища, природи джерела вуглецю, кіль­кості кисню, наявності освітлення тощо. Важливими елементами для утворення пігментів є азот, магній, залізо, кальцій. Мікробні пігменти поділяються на дві групи: нерозчинні, зв'язані з клітинними компо­нентами - вони зумовлюють забарвлення колоній, але не середовища (пігменти жовтої сарцини, золотистого стафілокока); розчинні в по­живному середовищі, яке забарвлюється при культивуванні бактерій. За хімічним складом пігменти надзвичайно різноманітні: каротиноїди, меланіни, хінони, бактеріохлорофіли, піроли.

Чудесна паличка (Serratia marcescens) — одна з перших забарвле­них бактерій, з якою ознайомились люди ще глибокої давнини. У 332 р. до н. е. в один із хмарних днів в армії Александра Македон­ського хліб виявився покритим «кривавими» плямами. Часто «крива­ві» плями з'являлись і на «хлібі господнім» у церквах, що породило-ряд легенд про «криваве чудо». А все це було не що інше, як колонії чудесної палички. Червоний пігмент, який утворює ця бактерія, ді­став назву продигіозину. Нині відома група продигіозиноподібних піг­ментів, продуцентами яких є актиноміцети та інші мікроорганізми.

Бактерії Chromatobacterium violaceum, Ch. lividum, гриби Phycomycetes, Ascomycetes та деякі актиноміцети утворюють групу піг­ментів, які є похідними індолу. Найкраще вивчено серед них віолацеїн — пігмент синього кольору, що не розчиняється у воді, легко-екстрагується ацетоном і спиртом.

Ряд мікробів (Pseudomonas indigofera та ін.) утворюють біпіриди-лові пігменти, з яких найкраще вивчено індигоїдин темно-голубого кольору. Яскраво-червоний пігмент— пульхерин, що містить залізо,, вперше було виявлено в дріжджах (Candida pulcherrina).

Дуже велику групу пігментів становлять каротиноїди, продуцен­тами яких є всі фототрофні і ряд нефотосинтезуючих бактерій, ак­тиноміцети, дріжджі, нижчі гриби та ін. Широку гамму відтінків від блідо-жовтого до чорного утворює велика група пігментів, проду­центами яких є не тільки рослини, а й актиноміцети, гриби аспергіли і пеніцили тощо. Найкраще вивченими пігментами цієї групи є такі: емодин, флавіолін, спинулозин, пілохинон та ін.

Вважають, що пігменти відіграють важливу роль у процесах ди­хання мікроорганізмів як акцептори водню, а також захищають їх від природної ультрафіолетової радіації, беруть участь в реакціях син­тезу, статевому процесі (каротиноїди), мають антибіотичні власти­вості.

Мікроорганізми можут утворювати і виділяти ароматичні речови­ни — складні ефіри (оцтовоетиловий, оцтовоаміловий тощо), леткі кислоти, вуглекислий газ та ін. Вони знаходяться в грунтах, воді, на сіні, фруктах, ягодах, молоці і молочних продуктах. їхній склад, за морфологічними і фізіологічними ознаками досить різноманітний. До цієї групи належать різні дріжджі, оцтовокислі бактерії, молочно­кислі і маслянокислі бактерії, актиноміцети, цвілеві гриби та ін.

Практичний інтерес становлять ті представники, які надають хар­човим продуктам або напоям специфічний аромат (сиру — специфічний запах, маслу — аромат тощо). Ароматоутворюючі бактерії (Str. citrovorus, Str. paracitrovorus, Leuconostoc cremoris) використову­ються у молочній промисловості.

Ростові речовини — фактори росту, біоактиватори — найважли¬віші регулятори обмінних процесів, росту і розмноження мікроор¬ганізмів.

Залежно від фактора росту мікроорганізми поділяються:

> на прототрофи — здатні синтезувати всі необхідні для росту і розмноження органічні сполуки;

> ауксотрофи — їх ріст і розмноження неможливі при відсут¬ності речовини, яку бактеріальна клітина нездатна або втра¬тила спроможність синтезувати.

Неодмінною умовою росту і розмноження ауксотрофів є обо¬в'язкова присутність у середовищі існування необхідної речовини. До чинників росту належать, насамперед, вітаміни (В1 — тіамін, В2 — рибофлавін, В6 — піридоксин, Н — біотин, В12 — ціанкобала-мін, РР — нікотинова кислота, вітамін Kj — філохінон). Ауксотро¬фи потребують також надходження ззовні певних амінокислот. Для кожного представника ауксотрофів така амінокислота строго ви¬значена і незамінна.

Потреба мікроорганізмів у факторах росту не є сталою і може змінюватися залежно:

— від умов культивування. Так, плісеневий гриб Мисог гоихіі потребує вітаміни Вг і В6 лише при зростанні в анаеробних умовах, а в аеробних умовах ці вітаміни він синтезує самостійно;

— хімічного складу навколишнього середовища. Більшість вітамі­нів входить до складу коферментів, тому мікроорганізми можуть обійтися без необхідних вітамінів, якщо продукти відповідної фер­ментативної реакції містяться в самому середовищі.

Таким чином, потреба у вітамінах означає іноді потребу у від­сутньому ферменті або продуктах його активності.

Приклад. Збудник дифтерії має потребу в пантотеновій кис­лоті. Одночасно відомо, що пантотенова кислота синтезується з пантоєвої кислоти і b-аланіну. Тому потребу дифтерійної палич­ки в пантотеновій кислоті можна задовольнити, унісши в живиль­не середовище b-аланін.

У клітинах мікроорганізмів відбуваються сотні хімічних реакцій, які призводять до перетворення органічних сполук. Хімічні реакції в біологічних системах відбуваються за наявності каталізаторів, роль яких виконують специфічні білки — ферменти.

Ферменти — це біологічні каталізатори — високо специфічні білки, що синтезуються в живих клітинах і можуть значно прискорювати різні хімічні реакції без помітного використання їх самих.

Мікроби містять різні ферменти. Це пов'язано з великою кількістю різноманітних умов, за яких вони існують. Мікроорганізми пройшли неоднаковий еволюційний шлях розвитку, чим і пояснюється велика різноманітність притаманних їм біохімічних процесів. Ферменти за­безпечують швидке здійснення в клітині або поза клітиною великої кількості реакцій.

Усі ферменти є

· простими – однокомпонентні ферменти, вони складаються лише з амінокислот).

· складними білками – двокомпонентні ферменти, які складаються з білкової і небілкової частин. Небілкова частина (простетична група) може бути представлена тим або іншим вітаміном, іонами металів (Fe, Си, Co, Zn, Mn та інші).

Каталітична активність ферментів значно перевищує активність мінеральних каталізаторів. Наприклад, одна частина сичугового фер­менту хімозину може викликати згортання 12 мільйонів частин моло­ка; один грам ферменту амілази за сприятливих умов здатен перетво­рити на цукор тонну крохмалю.

Специфічна дія ферментів полягає в тому, що кожний фермент ка­талізує певну хімічну реакцію або тип хімічної реакції. Так, фермент мальтоза розщеплює тільки мальтозу, лактоза — тільки лактазу, а аміла­за здатна викликати розщеплення тільки крохмалю.

Ферменти чутливі до зміни температури. Помірне підвищення тем­ператури до 40-50°С викликає прискорення ферментативних реакцій, але подальше підвищення призводить до інактивації ферментів і їх де­натурації. За температурою вище 80°С практично всі ферменти необо­ротно руйнуються. Сухі ферменти більш стійкі до підвищення темпера­тури, деякі витримують нагрівання до 100°С протягом декількох годин.

Для більшості ферментів оптимальною температурою є 30-40°С. Зниження температури гальмує активність ферментів, особливо за температури 0°С, але руйнування ферментів не спостерігається.

Зміна концентрації водневих іонів у середовищі, де відбувається ферментативна реакція, супроводжується значною зміною швидкості реакцій. Незначні зміни рН середовища знижують дію ферментів або зовсім її припиняють. Кожний фермент максимально виявляє свою дію за певного значення рН, але більшість ферментів активні за зна­ченням рН близько до 7,0-8,0.

Ферменти чутливі до впливу активаторів і інгібіторів. Наприклад, солі важких металів (міді, нікелю, срібла, свинцю, ртуті) навіть у малих дозах припиняють дію ферментів, а в більш значних - руйнують їх. Іони ж деяких легких металів у малих дозах активують дію ферментів.

Ферменти, що виділяються живими клітинами зовні і здійснюють позаклітинне перетворення поживних речовин, називаються екзоферментами. Ферменти, що беруть участь у внутрішньоклітинних проце­сах, називають ендофермевтами.

Мікроорганізми, які потрапляють у незвичайні умови, порівняно легко до них пристосовуються. При цьому змінюється потреба у фер­ментах, і мікроорганізми у деяких випадках виявляються здатними синтезувати ферменти, необхідні саме в цих умовах. їх називають адап­тивними, на відміну від. конститутивних, які постійно є в клітинах да­ного організму.

На сьогодні відомо майже 3000 різних ферментів. Сучасна наукова система класифікації заснована на природі хімічного перетворення, яке здійснюється за допомогою ферментів. За ознакою специфічності дії всі відомі ферменти поділяються на шість класів:

1. Оксидоредуктази — це ферменти, що каталізують окисно-від­новні реакції, вони беруть участь у процесах дихання, бродіння, прис­корюючи перенос атомів водню від однієї речовини до іншої.

2. Трансферази — ферменти, що каталізують реакції міжмолеку­лярного переносу різних хімічних груп і залишків. Наприклад, фосфо-ферази переносять залишок фосфорної кислоти під час спиртового бродіння, аміноферази переносять аміногрупи від амінокислот до інших речовин,

3. Гідролази — ферменти, що каталізують реакції гідролітичного розщеплення внутрішньомолекулярних зв'язків. Наприклад, гідроліз крохмалю за участю амілази або гідроліз білків, ліпідів.

4. Ліази — ферменти, що каталізують реакції не гідролітичного розщеплення, а також приєднання груп за подвійними зв'язками та оборотні реакції відщеплення таких груп. Наприклад, альдолаза ка­талізує реакції, що здійснюються під час спиртового, молочнокислого бродіння тощо.

5. Ізомерази — ферменти, що каталізують взаємне перетворення ізомерів, наприклад, перетворення гексоз.

6. Лігази (синтетази) — ферменти, що каталізують реакції утворен­ня складних речовин із простими. Ці реакції спряжені з розщепленням пірофосфатного зв'язку АТФ або аналогічного нуклеозидтрифосфату.

Ферменти мають велике практичне значення: на використанні різних ферментативних процесів засновано багато галузей харчової та хімічної промисловості — виробництво хліба, виготовлення сирів, ви­робництво м'ясних і молочних продуктів, чаю, органічних кислот, амінокислот, вітамінів, антибіотиків, миючих засобів тощо.

Дата добавления: 2014-01-07