Хімічний склад бактеріальних клітин

Лекція № 4

Тема: Фізіологія мікроорганізмів

План

1. Хімічний склад мікроорганізмів

2. Живлення мікроорганізмів

3. Дихання мікроорганізмів

Виклад

Фізіологія - це наука про живлення, дихання, розвиток мікроорганізмів, про взаємини їх з чинниками зовнішнього середовища.

Розуміння основ фізіології дає можливість регулювати життєдіяльність мікроорганізмів у середовищах існування, орієнтуватись у взаєминах, що виникають під час сумісного існування з іншими організмами, впливати на мікробіологічні процеси, що відбуваються під час зберігання різних продуктів, тобто відкриває шлях до керування мікробіологічними процесами.

Мікроорганізми, відрізняючись невеликою різноманітністю у морфологічному відношенні, дуже різні у фізіологічному. Особливо велика різноманітність спостерігається у живленні і диханні мікроорганізмів - процесах, що становлять основу обміну речовин живих організмів із зовнішнім середовищем, які здійснюються безперервно.

Живлення і дихання мікроорганізмів взаємопов'язані і здійснюються одночасно. У сприятливих для мікроорганізмів умовах обмін речовин здійснюється дуже швидко.

У процесі метаболізму частина поживних речовин асимілюється мікробами, тобто використовується як пластичний матеріал, що викликає збільшення біомаси, а інша частина - окислюється, вивільняючи енергію, необхідну для підтримки існування мікроорганізмів.

Хімічний склад мікроорганізмів

Хімічний склад мікроорганізмів складний і різноманітний. У мікроорганізмах містяться білки, вуглеводи, ліпіди, вітаміни, ферменти та інші речовини. Елементарною основою органічних і мінеральних речовин мікробної клітини є водень, кисень, вуглець, азот. Важливе значення мають також сірка, фосфор, калій, натрій, кальцій, магній, залізо, марганець та інші елементи (таблиця).

ХІМІЧНИЙ СКЛАД БАКТЕРІАЛЬНИХ КЛІТИН

Найменування елементів	% від сухої маси	Найменування елементів	% сухої маси
Вуглець		Натрій
Кисень		Кальцій	0,5
Азот		Магній	0,5
Водень		Хлор	0,5
Фосфор		Залізо	6,2
Сірка		Решта елементів	6,3
Калій			-

Приблизно 75—85 % маси живих мікроорганізмів становить вода. Кількість води змінюється залежно від виду, віку, живлення, складу середовища, в якому перебувають мікроорганізми. Вода є хорошим розчинником для всіх сполук, що містяться у мікробній клітині. У водному середовищі здійснюються реакції гідролізу білків, вуглеводів, ліпідів та інші біохімічні процеси.

Білки (протеїни) посідають особливе місце серед сполук, що входять до складу мікроорганізмів. Наявність у білкових молекулах великої кількості хімічних функціональних груп і своєрідність їхньої будови визначають видові і специфічні ознаки мікроорганізмів.

Білки входять до складу цитоплазми, ядра, оболонок і інших структур клітини. Білки мікроорганізмів, як і всіх інших, являють собою поліпептидний ланцюжок, побудований з різноманітних амінокислот.

Амінокислоти, що надходять у процесі живлення у клітини, використовуються переважно як пластичний матеріал, тобто для синтезу білків самої клітини. Лише у деяких випадках білки і амінокислоти використовуються як енергетичний матеріал, або відкладаються в цитоплазмі клітини у вигляді волютинових зерен.

Сухий залишок, тобто те, що залишається після висушування клітин мікробів, приблизно на 80% складається з білків.

Нуклеїнові кислоти - складні речовини, що беруть участь у регулюванні синтезу клітинних білків, зберіганні й передачі спадкоємної інформації та відіграють певну роль у інших процесах.

їх частка становить 10-30% від сухої маси. У природі існує два типи нуклеїнових кислот -ДНК і РНК.

Молекули нуклеїнових кислот (ДНК і РНК) складаються з великої кількості мономірів — мононуклеотидів, тобто є поліміром нуклео-тидів. Відомо кілька типів рибонуклеїнової кислоти: рибосомна (р.РНК), транспортна (т.РНК), матрична або інформаційна (м.РНК). Рибосомна РНК входить до складу рибосом, транспортна - переносить амінокислоти до рибосом, матрична - містить генетичну інформацію та забезпечує послідовність включення різних амінокислот до молекули білка.

Рибонуклеїнова кислота складається з азотистих речовин: аденіну, гуаніну, цитозину і урацилу, вуглеводу рибози й фосфорної кислоти. За хімічним складом ДНК схожа на РНК, і відрізняється від РНК тим, що замість урацилу в її структурі є тимін, а вуглевод представлений дезоксирибозою.

Вуглеводи містяться у клітинах мікроорганізмів у кількості 10-60 % сухої маси. Найбільше їх у пліснявих грибах і дріжджах. Вуглеводи входять до складу оболонок і слизових капсул, складних клітинних білків. Вуглеводи, що надходять з навколишнього середовища, використовуються як енергетичний матеріал, матеріал для синтезу більшості органічних сполук, а також відіграють роль депо енергії. У клітинах мікроорганізмів зустрічаються як прості вуглеводи (рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, моноза, рибульоза тощо), так і складні (крохмаль, глікоген, клітковина та ін.).

Ліпіди (жири і жироподібні речовини) містяться в клітинах мікроорганізмів зазвичай у невеликих кількостях. Ліпіди - це структурні компоненти мембран, вони входять до складу цитоплазми і ядра, є у складі молекули білків і інших сполук.

Підвищений вміст ліпідів спостерігається у оболонках спор. Жири є також енергетичним матеріалом. Багато мікроорганізмів мають змогу накопичувати ліпіди у клітинах, їх вміст може становити від 2 до 40 % сухої маси.

Мінеральні речовини - відіграють певну роль у побудові клітини мікроорганізмів, вони входять до структурних компонентів складних білків, ферментів, фосфоорганічних сполук і інших речовин мікроорганізмів. Розчин мінеральних речовин підтримує нормальний рівень внутрішньоклітинного осмотичного тиску. У найбільш помітних кількостях клітини мікроорганізмів містяться фосфор, калій, натрій, залізо, сірка, магній. їх загальний вміст становить від 3 до 15 % сухої речовини.

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.

Під час живлення мікроби, як правило, використовують речовини у вигляді розчинів. Переведення нерозчинних речовин у розчинені та їх підготовка і засвоєння здійснюється за допомогою ферментів, які синтезуються мікроорганізмами і виділяються ними у оточуюче середовище. Ферменти, що містяться у клітині, беруть участь у синтезі речовин, в окисно-відновлювальних реакціях, реакціях гідролізу та інших процесах.

Завдяки ферментному апарату клітина здатна сама себе підтримувати в статевому динамічному стані; вона працює в режимі максимальної економії компонентів і процесів.

Усі ферменти є простими або складними білками. Ферменти простих білків називають однокомпонентними, вони складаються лише з амінокислот. Ферменти складних білків називають двокомпонентними, які складаються з бшкової і небілкової частин. Небілкова частина (простетична група) може бути представлена тим або іншим вітаміном, іонами металів (Ре, Си, Со, 2п, Мп та інші).

Молекулярна маса ферментів коливається в межах від 12000 до 1 000 000. Білкова природа ферментів визначає їх властивості. До властивостей ферментів належать: висока каталітична активність, специфічність дії, залежність їх дії від температури та концентрації водневих іонів.

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 ЗО—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 екзофер-ментами. Ферменти, що беруть участь у внутрішньоклітинних процесах, називають ендоферментами.

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 груц 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: 2015-08-18