Материал: lekcii-po-mikrobiologii-i-biotehnologii_f6038b50da3

Органические вещества

Сухое вещество тела микроорганизмов не превышает 15-25% и состоит преимущественно (до 95%) из органических соединений - белков, углеводов, жиров, лепидов и др. Минеральные соединения составляют не более 5-15% сухого вещества. Большая часть зольных элементов в клетке химически связана с органическими веществами и входит в их состав.

Содержание белковых веществ у бактерий достигает 40-80% сухого вещества, у дрожжей 60%, у грибов - 15-40%. В состав клеток микроорганизмов входят белки простые (протеины) и сложные (протеиды). Белки выполняют две основные функции: во-первых, входят в состав всех мембран клетки; во-вторых, играют роль ферментов-биохимических катлизаторов. Среди белков есть и такие, которые убивают жизнь,- токсины. Бактериальные токсины наиболее ядовитые. Благодаря тому, что микроорганизмы богаты белками возможно их пищевое и кормовое использование. Продуцентами могут быть дрожжи, бактерии и водоросли, особенно цианобактерии.

Также в состав клеток микроорганизмов входят в небелковые азотистые вещества - аминокислоты, пурины и др.

Углеводы в теле микроорганизмов используются для синтеза белков и жиров, построения клеточных оболочек и капсул, а также в качестве энергетического материала в дыхательных процессах. Углеводы как и белки могут откладываться в клетках в виде запасных питательных веществ. Содержание углеводов достигает 10-30% их сухой массы (бактерий); у грибов выше 40-60%.

В теле микроорганизмов углеводы встречаются в виде пентоз, гексоз, полисахаридов. полисахариды находятся и в связанном состоянии с белками и минералами.

Липиды (жиры, жироподобные вещества липоиды)

Обычное их содержание не превышает 3-10% сухой массы. В редких случаях у дрожжей и грибов может доходить до 40%. В клетках микроорганизмов жировые вещества находятся в свободном (как запасные вещества) и в связанном состоянии, в комплексе с белками и углеводами. Больше всего липидов сосредоточено в цитоплазматической мембране клеток.

В микроорганизмах имеются также кислоты и их соли, спирты, пигменты, витамины.

Пигменты (красящие вещества)

В значительной доли находятся в составе бактерий, дрожжей, грибов. Они содержатся главным образом в клеточном соке. Этим обуславливают окраску микроорганизмов. Пигменты могут выделяться из клеток в среду. У н. бактерий они выполняют роль хлорофила зеленых растений, учавствуя в ассимиляции углекислого газа. Они учавствуют в процессах дыхания, обладают антибиотической активностью.

Минеральные вещества

Минеральные вещества Встречаются такие минеральные вещества: сульфаты, карбонаты, фосфаты, хлориды. Они играют роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Влияют на скорость и направление многих биохимических реакций, протекающих в клетке. Некоторые являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.

Поступление питательных веществ в клетку

Поступление веществ в клетку и выделение продуктов обмена в окружающую среду происходит у микроорганизмов через всю поверхность тела путем осмоса или адсорбции. На интенсивность этих процессов оказывают различные факторы: разность концентрации питательных веществ в клетке и за ее пределами, а также проницаемость для них плоуменной оболочки.

Осмос представляет собой диффузию веществ в растворах через полупроницаемую мембрану. Возникает осмос под действием разности осмотических давлений в растворах по обе стороны полупроницаемой мембраны. Величина осмотического давления раствора зависит от молярной концентрации растворенных в нем веществ.

Оболочка клетки проницаема и задерживает лишь микромалекулы. Цитоплазматическая мембрана клетки обладает полупроницаемостью: она является осмотическим барьером, регулируя поступление в клетку и выход из нее растворенных веществ. Вещества не растворимые в воде, белки, не могут быть использованы клеткой. Они могут проникнуть в нее лишь после расщепления на более простые, что происходит с помощью экзоферментов микробов.

Таким образом, при осмотическом проникновении пит.веществ в клетку движущей силой служит разность осмотических давлений между средой и клеткой. Такой пассивный перенос веществ не требует затраты энергии и протекает до выравнивания концентрации с наружным раствором.

Поступившие в клетку вещества включаются в реакцию конструктивного и энергетического обмена, концентрация некоторых из них будет ниже, чем в среде, и поступление данных веществ возможно до полного исчерпания их из субстрата.

Если микроорганизм попадает в субстрат, осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается в объеме и протопласт отстает от клеточной оболочки. Это явление называется плазмолизом клетки.

При чрезмерном низком осмотическом давлении внешней среды может наступить плазмоптис клетки - явление обратное плазмолизу, когда вследствии высокой разности осмотических давлений цитоплазма переполняется водой и приводит к разрыву клеточной оболочки.

Второй путь поступления веществ в клетку - активный. Путем переноса их особыми, локализованными в цитоплазматической мембране веществами ферментной природы. Эти перегсчики, называемые пермеазами, обладают субстратной специфичностью.

Каждый транспортирует только определенное вещество. На внешней стороне цитоплазматической мембраны переносчик адсорбирует вещество вступает с ним во временную связь и отдает на внутренней стороне ее транспортируемое вещество в цитоплазму.

Углеродное и азотное питание у микроорганизмов

Микроорганизмы облигаются большим разнообразием типов питания.

Углеродное питание.

Углерод составляет 50% сухой массы клетки. По источнику углеродного питания микроорганизмы разделяются на две группы:

Автотрофные: способны в качестве единственного источника углерода для синтеза органических веществ тела использовать углекислоту и ее соли.

Одни виды автотрофных микроорганизмов ассимилируют СО₂, используя солнечную энергию - фотосинтезирующие микроорганизмы.

Другие микроорганизмы используют энергию химических реакций окисления некоторых минеральных веществ - хемосинтезирующие.

К фотосинтезирующим микроорганизмам относятся водоросли, пигментные бактерии.

Бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением О₂, как у зеленых растений, а роль Н₂О выполняет Н₂S, при этом в клетках накапливается сера. Все фотосинтезирующие бактерии содержат пигменты - каротиноиды.

К хемосинтезирующим микроорганизмам относятся бактерии, окисляющие Н₂ с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотную кислоту (нитрифицирующие бактерии): сероводород до серной кислоты. Процесс хемосинтеза был открыт С.Н.виноградским.

Гетеротрофные микроорганизмы в качестве источника углерода используют органические соединения. К ним относятся бактерии, грибы, дрожжи.

Большинство гетеротрофных микроорганизмов живет за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождений - сапрофиты.

Некоторые гетеротрофы являются паразитами. Они способны развиваться в теле других организмов питаясь органическими веществами, входящих в состав этих оргаизмов.

Азотное питание

Источники азота - элемента необоходимого для синтеза белков, нуклеиновых кислот.

Паразиты развиваются за счет органических азотосодержащих веществ.

В зависимости от того, какими источниками азота микроорганизмы пользуются их подразделяют на 2 группы:

1. Аминоавтотрофные микроорганизмы, синтезирующие белковые вещества за счет минеральных источников азота или простейших форм органического азота типа мочевины.

2. Аминогетеротрофные микроорганизмы способные синтезировать ряд аминокислот из простейших источников азота, но неспособные самостоятельно синтезировать какую-нибудь одну аминокислоту.

Аминотрофные микроорганизмы при использовании азота из ряда минеральных источников предварительно переводят его в форму аммиака, а затем используют для синтеза аминокислот.

Усвоение микроорганизмами зольных элементов

Потребность микроорганизмов в зольных элементах невелика, но без зольных элементов рост микроорганизмов невозможен.

Сера- входит в состав белковых веществ и встречаются только в востановленном состоянии в виде групп - SH- и -S-S-.

Универсальным источником серы для большинства микроорганизмов служат сернокислые соли и используются при синтезе аминокислот.

Фосфор - входит в состав органических соединений протоплазмы. В отличие от среы, фосфор встречается в составе органических веществ живой клетки только в окислительном состоянии - P₂O₅ .

Соединения фосфора используются в живых клетках в качестве аккумуляторов энергии.

Наилучшим источником фосфора является соли ортофосфорной кислоты.

Магний - он входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий, является активатором ряда ферментов, образуя ферментными белками комплексные соединения. Наибольшее соединения магния наблюдаются в пленках грибов, выросших на нейтральных средах. Источниками магния являются сернокислые и другие соли магния.

Кальций - способствует более продуктивному течению процессов синтеза.

Источником кальция служат водорастворимые соли кальция.

Дыхание бактерии

Дыхание, или биологическое окисление, основано на окисли­тельно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ -универсального аккумулятора химической энергии. При дыхании происходят процессы окисления и восстановления: окисление - от­дача донорами (молекулами или атомами) водорода или электро­нов; восстановление - присоединение водорода или электронов к акцептору. Акцептором водорода или электронов может быть мо­лекулярный кислород - такое дыхание называется аэробным, а если акцептором служат нитрат, сульфат, фумарат, то дыхание называ­ется анаэробным (нитратным, сульфатным, фумаратным).

Если донорами и акцепторами водорода являются органиче­ские соединения, то такой процесс называется брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление органиче­ских соединений (преимущественно углеводов) в анаэробных условиях. По конечному продукту расщепления углеводов разли­чают спиртовое, молочно-кислое, уксусно-кислое и другие виды брожения.

По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы: облигатные, т.е. обязательные аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы. Обли­гатные аэробы могут расти только при наличии кислорода. Обли­гатные анаэробы (клостридии ботулизма, газовой гангрены, столб­няка, бактероиды) растут на среде без кислорода, который для них токсичен. Факультативные анаэробы могут расти как при на­личии кислорода, так и без него, поскольку они способны пере­ключаться с дыхания в присутствии молекулярного кислорода на брожение, если кислород отсутствует. Микроаэрофилы нуждают­ся в значительно меньшем количестве кислорода; высокая концен­трация кислорода, хотя и не убивает бактерии, но задерживает их рост. Некоторые микроорганизмы лучше растут при повышенном содержании СО₂; иначе их обозначают термином «капнофильные микроорганизмы» (актиномицеты, лептоспиры, бруцеллы).

Для выращивания анаэробов используют анаэростаты - специ­альные емкости, в которых воздух заменяется газовыми смесями, не содержащими кислород.

Рост микроорганизмов

Рост микробной клетки – это увеличение размера и массы одной особи между двумя делениями. В результате обменных процессов с окружающей средой и внутриклеточного метаболизма происходит рост и развитие организма. Конечная цель развития м/организма - размножение. Под ростом подразумевается не только рост отдельной клетки, но и большее увеличение числа клеток в результате размножения, т.е. рост культуры микроорганизмов.

Культура представляет собой совокупность особей, которое занимает определенное жизненное пространство.

Культуру называют чистой, если она представлена м/организиами одного вида.

Культуру, в которой содержится более чем один вид микробов, называют смешанной или гетерогенной.

Рост микроорганизмов зависит в первую очередь от наличия воды: грибы способны расти на субстрате, содержащий 12% воды, бактериям требуется для роста более 20%.

По потребности в воде для роста м/организмы подразделяются на три группы: гидрофиты-влаголюбивые, мезофиты-средневлаголюбивые и ксерофиты-минимально потребляющие воду. Большинство бактерий являются гидрофитами.

В питательной среде должны присутствовать все элементы, из которых строится клетка, и в такой форме, которую микроорганизм способен усваивать. В больших количествах необходимы макроэлементы: сера, фосфор, кислород и микроэлементы: цинк, никель, молибден и др.

Для роста м/организмов требуется и ряд дополнительных условий. микроорганизмы нуждаются:

в определенных концентрациях некоторых хим. веществ, особенно водородных ионов;

в совершенно определенном соотношении разных ионов;

в поддержании определенного окислительно-восстановительного потенциала среды.

Некоторые требовательные м/организмы и мутанты нуждаются кроме того, в отдельных соединениях, которые сами синтезировать не могут. Такие необходимые дополнительные вещества называют факторами роста, их роль могут играть аминокислоты, витамины, пурины.