Химический состав микроорганизмов
Химический состав бактериальной клетки сходен с химическим составом клеток всех живых организмов. В состав микроорганизмов входят вода, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, минеральные вещества.
Основной компонент бактериальной клетки — вода, составляющая 70—85 % ее массы. Вода играет большую роль в физиологии микробной клетки. Она служит средой для коллоидов, растворителем для минеральных веществ, обеспечивает тур гор (давление внутри клетки), является источником водородных и гидросильных ионов. В водной среде клетки протекают сложные гидролитические процессы расщепления многих веществ и синтеза многих новых молекул. Уменьшение воды в клетке ведет к замедлению ее жизнедеятельности (анабиозу), а высушивание — даже к гибели вегетативных форм. Больше воды содержат молодые бактериальные клетки, меньше — зрелые, а споры — не больше 40 %. Некоторая часть воды в клетке находится в свободном состоянии, а часть — в связанном. Свободная вода служит средой, в которой происходит движение ионов и электрических зарядов.
Ведущая роль в жизнедеятельности клетки принадлежит четырем органогенам — О, Н, С, N. По отношению к сухому веществу-бактерии содержат: 45-55 % С, 30 % О, 8-15 % N, 6-8 % Н.
Минеральные вещества бактерий представлены макро- и микроэлементами. К макроэлементам относят 10 элементов, содержащихся во всех организмах: С, О, Н, N, S, Р, К, Са, Mg, Fe.
К микроэлементам относят Mo, Ni, Co, В, Mg, Cu, Zn и др. Они стимулируют рост и размножение бактерий. Минеральные вещества составляют от 3 до 10 % сухого вещества микроорганизмов. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот. Железо является необходимым элементом для осуществления процессов дыхания и энергетического обмена. Магний обеспечивает активность ряда ферментов.
Белки — высокомолекулярные биологические полимерные соединения, составляющие 50—80 % сухого вещества микробной клетки. Различают два вида белков: протеины и протеиды. Протеины (альбумины, глобулины, гистоны и др.) при гидролизе распадаются на аминокислоты. Протеиды — сложные соединения простых белков с небелковыми группами, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами, жироподобными и другими веществами. С учетом этого различают нуклео-, глико- и липопротеиды и др. Белки являются основным структурным материалом клеточных мембран и выполняют различные функции: каталитическую, двигательную, транспортную, защитную, запасную, гормональную и др. Белки бактериальной клетки обусловливают антигенность, иммуногенность, вирулентность, видовую принадлежность бактерий.
Кроме обычных аминокислот в состав бактерий входит диаминопи-мелиновая кислота (ДАП), которая отсутствует в клетках человека и животных.
В состав бактерий входят ДНК и РНК (матричная, транспортная, рибосомная). ДНК является носителем наследственности, РНК участвует в синтезе белка.
Углеводы в микробной клетке составляют 12—18 % от сухого вещества и представлены многоатомными спиртами, моно- и полисахаридами. Углеводы служат источником С и энергии. Некоторые полисахариды (крахмал, гликоген) являются запасными питательными веществами.
В состав бактерий входят липиды — истинные жиры и липоиды — жироподобные вещества. Риккетсии, дрожжи, микобактерии, грибы содержат до 40 % липидов. У других групп микробов содержание ли-пидов по сравнению с белками невелико — 3—7 %. Бактериальные липиды состоят из свободных жирных кислот, нейтральных жиров, восков и фосфолипидов. В микробной клетке липиды распределены неравномерно. Их больше содержится в поверхностных слоях цитоплазмы и оболочке клетки. Липиды могут быть использованы для синтеза белков.
Липиды и липоиды выполняют следующие функции: являются запасными питательными веществами; входят в состав полного антигена, чем обусловливают антигенные свойства и токсичность патогенных бактерий; входят в структуру оболочки, оказывая влияние на ее проницаемость; участвуют в энергетическом обмене микроорганизмов; делают микробов устойчивым и к кислотам, и другим веществам.
Питание бактерий
Животные и простейшие способны заглатывать плотные и жидкие частицы пищи. Этот способ питания получил название голозойного. Проглоченная пища подвергается перевариванию под действием гидролитических ферментов. У многоклеточных животных это происходит в желудочно-кишечном тракте, а у одноклеточных, например у простейших,— в пищеварительных вакуолях.
Бактерии, дрожжи, плесени, риккетсии, микоплазмы, хламидии не имеют желудка, пищеварительных органов или органелл. Питательные вещества в виде небольших молекул в водном растворе проникают в микроорганизм через всю поверхность тела, клетки. Такой способ питания получил название голофитного.
Бактериальная клетка за сутки потребляет «пищи» в 20 раз больше массы своего тела. Это свидетельствует о высоком обмене веществ у микроорганизмов. Процесс использования питательных веществ во всех организмах растительных, животных и бактериальных клетках весьма сходен, но не идентичен. Многие микробы обладают преимуществом перед животными: они лишены вкусовых ощущений. Бактерии и плесени с одинаковой жадностью «поедают» копыта мертвых лошадей и коровьи рога, испражнения, бумагу, кожу, смазку, опилки, старые резиновые покрышки и т. д. Для этого им нужно только время и соответствующее «ферментное оснащение». Некоторые микроорганизмы процветают в карболовой кислоте, керосине и мыле. Другие, наоборот, чрезвычайно «привередливы» и способны расти лишь на особых средах.
Известно несколько механизмов питания микробных клеток. Питательные вещества могут проникать в клетку через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану. В основе механизма такого проникновения лежит осмотическое явление, основанное на разнице концентрации питательных веществ в микробной клетке и питательном растворе. Условно можно выделить четыре механизма проникновения питательных веществ в клетку: простая диффузия; облегченная диффузия; активный транспорт; перенос (транслокация).
Простая диффузия — питательные вещества поступают в клетку вследствие разницы их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. На пассивную диффузию энергия не затрачивается.
Облегченная диффузия — протекает также в результате разницы концентрации веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны.
Однако этот процесс осуществляется с помощью белков-переносчиков, которыми могут быть пермеазы. Место их синтеза — цитоплазматическая мембрана. Облегченная диффузия протекает без затраты энергии.
Активный транспорт происходит с помощью пермеаз и заключается в переносе веществ в направлении от меньшей концентрации к большей, поэтому этот процесс сопровождается затратой метаболической энергии в виде аденозинотрифосфата (АТФ), образующейся в результате окислительно-восстановительных реакций в клетке.
Перенос (транслокация) группы молекул сходен с активным транспортом, но отличается тем, что молекула в процессе переноса видоизменяется.
Одно из основных свойств живого — обмен веществ. Он включает два процесса: поступление из окружающей среды питательных веществ, необходимых для синтеза составных частей клетки; выделение в окружающую среду продуктов жизнедеятельности клетки.
Обмен веществ (метаболизм) организмов состоит из двух взаимосвязанных процессов: ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм). Анаболизм — это преимущественно конструктивный обмен веществ, катаболизм — энергетический обмен.
Широкому распространению бактерий способствует разнообразие типов их питания. Микробы могут получать углерод из неорганических и органических углеродсодержащих соединений. По способу углеродного питания микроорганизмы делят на аутотрофы и гетеротрофы.
Аутотрофы, или прототрофы (гр. autos — сам, trophe — пища) используют углерод из углекислоты (СО,) воздуха. К ним относятся нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии и др. Они превращают углекислоту в сложные органические соединения путем хемосинтеза, т. е. путем окисления химических соединений (аммиак, нитриты, сероводород и др.). Аутотрофы обладают способностью синтезировать органические вещества из неорганических. Они не нуждаются в органических соединениях углерода, входящих в состав клеток животных и человека, поэтому не являются патогенными. Среди аутот-рофов встречаются микробы, обладающие способностью усваивать углерод из С02 воздуха и из органических соединений. Такие микробы называются миксотрофами.
Гетеротрофы (от гр. heteros — другой, trophe— пища) — получают углерод из готовых органических соединений. Гетеротрофы — возбудители различного рода брожений, гнилостные и болезнетворные микробы. Гетеротрофы подразделяют на метатрофы, или сапрофиты, и паратрофы. Сапрофита (от гр. sapros — гнилой, fhyton — растение) — гнилостные микробы. Паратрофы (гр.parasites — нахлебник) — паразиты, питающиеся за счет организма, в котором они живут. В качестве источника углерода гетеротрофы чаще всего используют углеводы, спирты, различные органические кислоты.
Дыхание бактерий
Под термином дыхание следует понимать все окислительно-восстановительные процессы живой клетки, связанные с освобождением энергии в виде АТФ — универсального аккумулятора химической энергии.
Дыхание — это эволюционно наиболее совершенный способ получения энергии. Его совершенство в том, что энергия используемого субстрата утилизируется наиболее полно. 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 служит нитрат, сульфат, фумарат, то такое дыхание называется анаэробным.
Анаэробиоз (от гр. отрицательная приставка — an + aeros — воздух + bios — жизнь) — жизнедеятельность, протекающая при отсутствии свободного кислорода.
Все физиологические процессы: движение, рост, размножение, образование спор, капсул, выработка токсинов — осуществляются при постоянном притоке энергии. Микробы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений, углеводов (чаще глюкозы) , спиртов, органических кислот, жиров. Основную роль в дыхании большинства микроорганизмов играет цикл трикарбоновых кислот, где органические вещества как источник энергии окисляются до углекислого газа (С02), а отнятый от них электрон передается по дыхательной цепи активированному кислороду. Освободившаяся в результате этих процессов энергия закрепляется в АТФ или других органических фосфатах.
Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называют брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление органических соединений (преимущественно углеводов) в анаэробных условиях. По конечному продукту расщепления различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и другие виды брожения. Следовательно, дыхание или биологическое окисление,— это совокупность сложных биохимических процессов, вследствие которых происходит освобождение энергии, необходимой для жизнедеятельности микробных клеток.
Процесс дыхания состоит в том, что углеводы и другие запасные вещества окисляются при участии кислорода воздуха до С02 и Н20. Субстратами дыхания могут быть белки, жиры, углеводы и многие другие вещества. Наиболее типичный случай дыхания — это окисление углеводов, в частности шестиуглеродных Сахаров. В суммарном виде дыхание может быть выражено следующим уравнением:
С6Н1206 + 602-> 6С02 + Н20.
За этой суммарной формулой скрывается сложная цепь превращений. Эта цепь ферментативных реакций оказалась универсальной, т. е. в принципе одинаковой у животных, растений и многих микроорганизмов.
С биохимической точки зрения окисление субстрата микроорганизмами достигается по типу прямого и непрямого окисления (или дегидрогенирования).
Прямое окисление осуществляется с помощью оксидаз путем непосредственного окисления вещества кислородом воздуха или же путем дегидрирования — отнятия от субстрата водорода, точнее, его электрона.
Непрямое окисление происходит путем дегидрогенирования, сопровождается одновременным переносом двух электронов, причем от субстрата отщепляются два протона (Н+). Аэробное дегидрогенирование протекает в присутствии кислорода, акцептором водорода является кислород (в результате чего в зависимости от набора ферментов образуется Н20 или Н202). Анаэробное дегидрогенирование осуществляется в отсутствие молекулярного кислорода. Акцепторами водорода являются нитраты, сульфаты и карбонаты, которые превращаются при этом в более восстановленные соединения — аммиак, метан, сероводород. При анаэробном дыхании выход энергии только на 10 % ниже, чем при аэробном.
По типу дыхания микробы делят на следующие группы: облигатные (строгие) аэробы; облигатные анаэробы; факультативные (необязатель- *Т ные) анаэробы; микроаэрофилы.
Облигатные (строгие, безусловные) аэробы растут, размножаются, осуществляют свою деятельность при доступе кислорода (например, P. aeruginosa, В. pertussis, M. tuberculosis). У них дыхание происходит так же, как у животных и растений, т. е. с использованием молекулярного кислорода воздуха, который осуществляет биологическое окисление органических (гетеротрофы) или неорганических (аутотрофы) веществ с освобождением определенного количества энергии.
Облигатные анаэробы развиваются при полном отсутствии кислорода (например, возбудители столбняка, некробактериоза, ЭМКАРа). Наличие свободного кислорода для строгих анаэробов является губительным, так как у них нет ферментов (каталаз), способных расщеплять Н202, понижен окислительно-восстановительный потенциал, отсутствуют цитохромы.
До классических работ Л. Пастера биологи считали, что без кислорода нет жизни. Пастер открыл явление анаэробиоза. Он писал: «Жизнь возможна и без кислорода, за счет брожения. Брожение есть способ существования бактерий без воздуха».
Факультативные необязательные анаэробы растут, размножаются как при доступе воздуха, так и при его отсутствии (возбудитель рожи свиней, сальмонеллы, эшерихии, иерсинии). Среди факультативных анаэробов различают аэротолерантные бактерии, которые растут при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.
Микроаэрофилы требуют для своего развития до 1 % кислорода (лептоспиры, актиномицеты). Различают микроаэрофильные аэробы (например, гонококки, которые лучше культивируются при уменьшенном содержании кислорода — около 5 %) и макроаэрофильные анаэробы, которые способны расти в анаэробных и микрофильных условиях, но не растут в обычной воздушной среде или С02. Выделяют также капнофильные микроорганизмы — бактерии, растущие в повышенных концентрациях углекислого газа (3-5 %). К ним относят бактероиды, фузобактерии, гемофильные бактерии и др.
В ряде случаев микробы для осуществления жизненно необходимых процессов не используют всей выработанной при дыхании тепловой энергии. В связи с этим большое количество теплоты выделяется во внешнюю среду. Часто такая избыточная энергия образуется при размножении микробов-термофилов в навозе, торфе, мусоре и может привести к самовозгоранию. Вместе с тем это явление имеет и положительное значение — экзотермическая реакция (при этой реакции температура достигает 60—70 °С) лежит в основе биологического метода дезинфекции, применяемого с целью уничтожения в навозе вегетативных форм патогенных микробов.