Физиология микроорганизмов


Физиология микроорганизмов — раздел микробиологии, изучающий химический состав, процессы питания, дыхания и размножения микроорганизмов.

Химический состав бактерий

Вода. Основная составная часть бактериальной клетки — 75—85 %. Соответственно сухое вещество составляет 15—25 %. Часть воды находится в свободном состоянии, а часть — в связанном. Связанная вода является структурным растворителем. Свободная вода служит дисперсионной средой для коллоидов и растворителем для кристаллических веществ, источником водородных и гидроксильных ионов. Например, гидролитические процессы расщепления белков, углеводов и липидов происходят в результате присоединения к ним воды, а путем отщепления элементов воды могут синтезироваться новые сложные молекулы.

Какие же химические элементы содержатся в микробной клетке? Ведущая роль принадлежит четырем органогенам — кислороду, водороду, углероду и азоту. В процентном отношении к сухому веществу бактерии содержат: углерода — 45—55, азота — 8—15, кислорода — 30, водорода — 6—8. Соответственно дрожжи содержат (%): углерода — 49, азота — 12, кислорода — 31, водорода — 6. В микроскопических грибах (%): углерода — 47, азота — 5, кислорода — 40, водорода — 6.

Минеральные вещества. Кроме органогенов в микробных клетках находятся так называемые зольные элементы— минеральные вещества, составляющие от 3 до 10 % сухого вещества микроорганизмов. Среди них преимущественное значение имеет фосфор, который входит в состав нуклеиновых кислот, липидов, фосфолипидов. Сера содержится в аминокислотах, например в цистине и цистеине. Магний обеспечивает активность ряда ферментов, например протеазы. Микробы без магния не способны проявлять протеолитические свойства. Железо является необходимым элементом для осуществления процессов дыхания и энергетического обмена. Кальций, натрий, калий, силиций, хлор тоже есть в микробных клетках. Содержатся в них и микроэлементы: молибден, кобальт, бор, марганец, цинк, медь, никель и др. Наличие микроэлементов в микробах обязательно; они стимулируют процессы роста и размножения.

Химические элементы образуют в микробных клетках различные органические вещества: белки, углеводы, липиды, витамины, которые распределяются в сухом веществе.

Белки. Это высокомолекулярные биологические полимерные соединения, образующие при гидролизе аминокислоты. Структурные компоненты вирусов, бактерий, клеток растений и животных.

Роль белков в жизни микроба важна и разнообразна: основной структурный материал всех клеточных мембран и выполняют различные функции — каталитическую, двигательную, транспортную, защитную, гормональную, запасную и др.

Белки составляют 50—80 % сухого вещества микробов. Различают два основных вида их: протеины и протеиды. Протеины, или простые белки (альбумины, глобулины, гистоны и др.), при гидролизе распадаются на аминокислоты (тирозин, лейцин, триптофан и др.). Кроме того, они могут содержать углеводный или липидный компонент. Протеиды, или сложные белки, — соединения простых белков (протеинов) с небелковыми группами, нуклеиновой кислотой, полисахаридами, жироподобными и другими веществами. Отсюда различают нуклеопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды и др.

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные биологические полимеры, построенные из мононуклеотидов. Особенно характерно для них содержание фосфора (8—10 %) и азота (15—16 %), они также содержат углерод, кислород и водород. Содержание нуклеиновых кислот в бактериальной клетке может быть от 10 до 30 % сухого вещества, что зависит от вида бактерий и питательной среды. В большинстве своем они связаны с белками (нуклеопротеиды) и сложными радикалами клеточных структур бактерии. Нуклеиновые кислоты в микробных клетках существуют в виде рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. Считают, что РНК преимущественно содержится в цитоплазме бактерий, в мельчайших се зернышках — рибосомах, которые осуществляют синтез ферментов. ДНК находится в ядерном веществе бактерий. ДНК является материальным носителем наследственности всех организмов, в том числе микробов. В ее структуре записана (закодирована) генетическая информация биосинтеза белков.

Углеводы. В бактериях их содержится 12—18 % от сухого вещества. Это многоатомные спирты (сорбит, маннит, дульцит); полисахариды (гексозы, пентозы, гликоген, декстрин), моносахариды (глюкоза, глюкуроновая кислота и др.). Углеводы выполняют энергетическую роль в микробной клетке.

Липиды и липоиды. Липиды — истинные жиры, липоиды — жироподобные вещества. Ряд микробов содержат липиды в значительном количестве. У риккетсий, дрожжей, микобактерий, грибов липидов содержится до 40 %. У других групп микробов содержание липидов по сравнению с белком невелико — не более 3—7 %. Бактериальные липиды состоят из свободных жирных кислот (26—28 %), нейтральных жиров, восков и фосфолипидов. Особого внимания заслуживают фосфолипиды — сложные эфиры высших спиртов и кислот, содержащие азот и фосфор. Они входят в состав токсической фракции ряда микробов.

Липиды играют роль резервных веществ, и в ряде случаев могут быть использованы как исходные компоненты для синтеза белков. С ними связана кислотоустойчивость микобактерий. Они же существенно влияют на проницаемость клеточных мембран, формируют систему пограничных мембран, выполняющих различные функции по обеспечению метаболизма микробной клетки.

Химический состав спирохет, актиномицетов, микоплазм, риккетсий, микроскопических грибов в основном сходен с бактериями.

Ферменты бактерий

Ферменты — глобулярные белки, молекулярная масса которых колеблется от 15 кД до нескольких тысяч. Это простые и сложные белки, например, уреаза, пепсин, трипсин — простые белки, а карбоксипептидаза, амилаза, рибонуклеаза — сложные. Питание и дыхание в микробной клетке происходит с участием ферментов (энзимов), которые являются биологическими катализаторами, т. е. веществами, влияющими на скорость химических реакций, из которых слагается метаболизм микроорганизмов. Незначительное количество катализатора быстро превращает большое количество субстрата, оставаясь при этом в свободном состоянии. Например, одна часть химозина (сычужного фермента) может свернуть до 12 млн частей молока; 1 г амилазы при определенных условиях может превратить в сахар 1 т крахмала.

Ферменты вырабатываются клетками и способны действовать, даже будучи выделенными из нее, что имеет большое практическое значение. Для них характерны термолабильность и высокая специфичность действия, например, фермент лактаза гидролизует лактозу, но не действует на родственные дисахариды (мальтозу, целлобиозу).

Микробная клетка может содержать большое количество ферментов, например, у аспергилла обнаружено до 50 ферментов. Благодаря этому микроорганизмы в состоянии осуществлять одновременно ряд различных реакций в среде, где они находятся.

Принято различать экзо- и эндоферменты.

Экзоферменты не связаны со структурой протоплазмы, легко выделяются в субстрат при жизни микробной клетки (гидролитические ферменты), растворимы в питательной среде и проходят через бактериальные фильтры. Эти ферменты связаны в OGHOBHOM с процессом питания: расщепляют сложные высокомолекулярные вещества (белки, крахмал, клетчатку и др.), т. с. подготавливают питательные вещества к усвоению их микробной клеткой.

Эндоферменты прочно связаны с бактериальной клеткой и действуют только внутриклеточно, осуществляя дальнейшее разложение питательных веществ и превращение их в составные части клетки. К таким ферментам можно отнести, например, дегидрогеназы, оксидазы.

Оптимальная температура для действия ферментов 40—50 °С, для некоторых 58—60 °С; при температуре 100 °С они разрушаются. На активность их влияет и рН среды. У бактерий, растущих при кислых значениях рН (ацидофилы), максимум активности ферментов наблюдается при рН 4,8; у растущих при нейтральном и близком к нейтральному значению рН максимум активности ферментов наблюдается при рН 7,2; у бактерий, способных расти в широком диапазоне рН, реакция среды заметно не влияет на активность ферментов.

Название фермента связано с веществом, на которое он действует, с изменением окончания на «аза» или с природой катализируемой им химической реакции. На этом же основана и современная классификация их. В настоящее время насчитывается более двух тысяч ферментов. Их разделяют на шесть классов:

1. Оксидорсдуктазы — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Играют большую роль в процессах биологического получения энергии. К ним относятся дегидрогеназы (НАД, НАДФ, ФАД), каталаза, цитохромы, ферменты, участвующие в переносе электронов водорода, кислорода и др.

2. Трансфсразы — ферменты, катализирующие перенос отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок (не водорода) от одних соединений к другим. Например, ацетилтрансферазы переносят остатки уксусной кислоты (СНзСО), а также молекул жирных кислот; фосфотрансферазы или киназы обусловливают перенос остатков фосфорной кислоты (Н2РО3 ). Известны многие другие трансфсразы (аминотрансферазы и т. д.)

3. Гидролазы — ферменты, катализирующие реакции расщепления и синтеза таких сложных соединений, как белки, жиры и углеводы, с участием воды. К этому классу относятся протеолитические ферменты (или пептидгидролазы), действующие на белки или пептиды; гидролазы глюкозидов, осуществляющие каталитическое расщепление углеводов и глюкозидов фрукто-фуранозидаза, ее -глюкозидаза, ее — и 3 -амилаза, 3 -галактозидаза и др.); экстеразы, катализирующие расщепление и синтез сложных эфиров (липазы, фосфатазы.).

4. Лиазы — ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных химических групп с образованием двойных связей или присоединение отдельных групп или радикалов по двойным связям. Так, пируватдекарбоксилаза катализирует отщепление СО2 от пировиноградной кислоты:

К лиазам относится также фермент альдолаза, расщепляющий шестиуглеродную молекулу фруктозо-1,6-дифосфата на два трех-углеродных соединения. Альдолаза имеет большое значение к процессе обмена веществ.

5. Изомеразы — ферменты, осуществляющие превращение органических соединений в их изомеры. При изомеризации происходит внутримолекулярное перемещение атомов, атомных группировок, различных радикалов и т. п. Изомеризации подвергаются углеводы и их производные, органические кислоты, аминокислоты и т. д. Ферменты этой группы играют большую роль в ряде процессов метаболизма. К ним относятся триизофосфатизомераза, глюкозофосфатизомераза и др.

6. Лигазы — ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из простых. Например, аспарагинсинтетаза осуществляет синтез амида аспарагина из аспарагиновой кислоты и аммиака с обязательным участием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), дающей энергию для этой реакции:

Аспарагиноная кислота + NII3 + АТФ AcnapaiHH + АДФ + 11)14)4

К группе лигаз относятся также карбоксилазы, катализирующие присоединение СО2 к различным органическим кислотам. Например, фермент пируваткарбоксилаза катализирует синтез щевелево-уксусной кислоты из пировиноградной и СО2.

По классификации ферментов каждый фермент имеет шифр, включающий 4 цифры, из которых первая указывает на класс, вторая — на подкласс, третья — на подподкласс и четвертая — на порядковый номер фермента в данном подподклассе. Так, шифр 3.5.1.5 принадлежит карбамидамидогидролазе (уреазе), которую относят к третьему главному классу — гидролазам.

Скорости реакций, катализируемых ферментами, различны и зависят от количества и активности ферментов, концентрации субстрата, рН, температуры, присутствия в среде активаторов и ингибиторов.

Активность измеряют в международных единицах (ME); I ME соответствует количеству фермента, превращающему 1 мкМ (микромоль) (мг/М; 10 М) субстрата в 1 мин в стандартных условиях.

Большое число разнообразных ферментов, синтезируемых клетками микроорганизмов, позволяет использовать их в промышленном производстве для приготовления уксусной, молочной, щавелевой, лимонной кислот, молочных продуктов (сыр, ацидофилин, кумыс и пр.), в виноделии, пивоварении, силосовании. По ферментативной специфичности отдельных бактерий в лабораторных условиях можно дифференцировать их виды, разновидности.

Оставить комментарий

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 
  Подписаться  
Уведомление о