Жизнедеятельность микроогранизмов

Митохондрии имеются только у эукариотов. Это сравнительно большие, несколько изогнутые замкнутые структуры. Размеры митохондрий варьируются в широких пределах. Митохондрии покрыты оболочкой, которая состоит из двух мембран. Между мембранами находится водянистая жидкость. Внутренняя мембрана образует большие складки — кристы, которые значительно увеличивают общую поверхность мембраны (рисунок 1.4). В составе митохондрий обнаружены полифосфаты, РНК и ДНК. Митохондрии являются почти автономными структурами в клетке, которые размножаются самостоятельно, продуцируя свои специфические белковые вещества.

На поверхности внутренней мембраны митохондрий обнаружены особые частицы, которые участвуют в переносе электронов. Там же на внутренней мембране происходят окислительные реакции цикла трикарбоновых кислот (или цикла Кребса) и окисление жирных кислот. Следовательно, именно здесь протекает большинство реакций которые дают энергию и исходные вещества для клеточного роста. У бактерий митохондрии отсутствуют.

а—схема строения; б—продольный разрез; 1 — внешняя мембрана; 2— внутренняя мембрана; 3 — кристы; 4 —метрике

Рисунок 1.4 — Митохондрия

Ядро играет главную роль в передаче генетической информации, регулирует обмен веществ и т. д. В клетках эукариотов ядра окружены оболочкой и имеют различную форму и размеры. В ядерной оболочке обнаружены сравнительно большие поры.

У бактерий, которые принадлежат к группе прокариотных микроорганизмов, ядро не выражено, но имеется его аналог — нуклеоид.

Главная составная часть ядра и нуклеоида — ДНК, в которой закодирована генетическая информация.

Аппарат Гольджи представляет собой мембранное образование, состоящее либо из ряда пузырьков различного диаметра, либо из пузырьков и нескольких дисковидных пластин, называемых диктиосомами. В процессе жизнедеятельности клетки пузырьки отделяются от аппарата Гольджи и транспортируют определенные вещества к различным органоидам клетки. Функции аппарата Гольджи в клетке до конца не изучены.

У бактерий аппарат Гольджи отсутствует

Вакуоли являются производными эндоплазматического ретикулума или аппарата Гольджи. В зависимости от происхождения вакуоли выполняют различные функции. В первом случае они являются местом локализации запасных веществ клетки, а во втором — ненужных продуктов обмена и токсических веществ, т. е. вакуоли принимают непосредственное участие в выделительной функции клетки. У бактерий вакуоли отсутствуют.

Прокариотическая клетка содержит различные запасные вещества в виде гранул или капель, которые расходуются клеткой в случае истощения питательной среды. Такими запасными веществами, прежде всего являются липиды, полифосфаты и полисахариды.             

Химический состав микроорганизмов

Вода составляет основную массу микробной клетки. Количество воды в микроорганизмах в среднем колеблется от 75 до 85%. Находящаяся в клетках вода может быть в свободном или в связанном с поверхностью макромолекул виде.

В биологических системах связанной называют воду, которая прочно связана с поверхностью макромолекул биополимеров. Свойства связанной воды значительно отличаются от свойств обычной воды, поэтому ее рассматривают как структурный элемент, а не как среду, в микроорганизмах обнаружено примерно 15...18% связанной воды. Большую часть находящейся в клетке воды составляет свободная вода, которая является реакционной средой и растворителем веществ.

Нормальное функционирование клетки, т. е. обмен веществ, рост и размножение, может происходить только тогда, когда в ней имеется достаточное количество воды и если клетки погружены в водную среду с питательными веществами. Уменьшение содержания воды ведет к замедлению всех активных жизненных процессов клетки, т. е. к состоянию, которое называют анабиозом. Следовательно, вода — один из главных компонентов, с которым связана жизнедеятельность микробной клетки.

Сухие вещества в микробных клетках составляют в среднем 15...25%. Это органогены, входящие в состав органических веществ, и зольные элементы. Органические вещества представлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами.

Среди органических веществ белки занимают первое место. Их количество составляет от 50 до 80% от сухого вещества клетки. Содержание белков зависит от вида микроорганизмов и состава питательной среды. Различают простые белки, или протеины, и сложные, или протеиды.

Протеиды представляют собой комплексы простых белков с небелковыми группами. При соединении с нуклеиновой кислотой образуются нуклеопротеиды, с полисахаридами — гликопротеиды, жироподобными веществами — липопротеиды.

В последнее время и простые и сложные белки называют протеинами.

Нуклеиновые кислоты играют большую роль в жизни клетки. Известны два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). ДНК находится обычно в ядре клетки, а РНК — в цитоплазме.

Углеводы представлены в клетке полисахаридами, которые в цитоплазме встречаются в виде зерен крахмала и гликогена. Они служат главным образом энергетическим материалом.

Липиды в клетке микроорганизмов распределены неравномерно. Содержание липидов в различных микроорганизмах колеблется от 3,8 до 40%. Липиды в основном входят в состав цитоплазматических мембран.

Минеральные вещества, представляющие собой золу после сжигания клеточной массы, составляют от 2 до 14% от сухой массы микроорганизмов. В таблице 1.1 приведен усредненный элементный состав клетки микроорганизмов.

Таблица 1.1 — Элементарный состав клетки микроорганизмов

Таким образом, основными элементами клеток являются углерод, кислород, азот, водород, фосфор и сера. На долю этих шести элементов приходится около 95% сухой биомассы клеток, а остаток составляют все другие элементы. Калий, натрий, кальций, магний и железо содержатся в сравнительно больших количествах и их называют макроэлементами в отличие от марганца, кобальта, меди, молибдена и цинка, которые содержатся в следовых количествах и называются микроэлементами [4].

2 Обмен веществ и питание микроорганизмов

Ничтожно малые по размеру микроорганизмы способны перерабатывать непропорционально большие количества различных веществ. Бактериальная клетка может потреблять за сутки количество пищи, превышающее в 30...40 раз её собственную массу. Объясняется это тем, что поступление питательных веществ и выделение продуктов жизнедеятельности осуществляется всей поверхностью микробной клетки. В процессе жизнедеятельности клетки происходит интенсивный обмен веществ между клетками и внешней средой.

Обменом веществ или метаболизмом называют сумму целенаправленных реакций, протекающих в клетке под действием ферментов, которые обеспечивают обмен веществом и энергией между средой обитания и самой клеткой. Обмен веществ состоит из двух процессов:

1. получение необходимых для роста питательных веществ из окружающей среды и синтез из них структурных частей клетки (питание);

2. выделение в окружающую среду конечных продуктов.

Превращение любого питательного вещества у микроорганизмов проходит по одному из двух направлений: анаболизму или катаболизму. Анаболизм связан с построением новых биополимеров клетки из простых соединений и протекает с поглощением энергии макроэргических связей АТФ. Катаболизм представляет собой ферментное расщепление органических молекул с выделением энергии, которая запасается в виде макроэргических связей АТФ или некоторых других богатых энергией соединений.

Путь обмена веществ у микроорганизмов состоит из реакций, которые поставляют клеткам строительный материал, и реакций, которые обеспечивают все превращения в клетке, т. е. реакций, ответственных за конструктивный и энергетический обмены. Реакции протекают в строгой последовательности одна за другой, так как продукты реакции предыдущей стадии процесса, как правило, являются субстратом для последующей. Чтобы расти, микроорганизм должен получать из окружающей среды все те вещества, которые необходимы  ему для синтеза структурных компонентов клетки и для получения энергии.             

В приближенном виде потребности микроорганизма в питательных веществах можно определить по химическому составу микробной клетки. Все элементы, входящие в состав клеточного вещества, должны находиться в питательной среде.

Среди элементов наибольшее биогенное (жизненно важное) значение имеет углерод. Он входит в состав всех органических соединений, образующихся в микробной клетке. Вступая во взаимодействие с кислородом, водородом, азотом и серой, углерод образует жизненно

важные соединения клетки: аминокислоты, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, жиры и т. д.

Вторым, не менее важным биогенным элементом, является азот. Он входит в состав аминокислот, белковых веществ, нуклеиновых кислот, которые самым активным образом участвуют в построении тела клетки, в процессах роста и размножения микроорганизма. Для питания микроорганизма важны и все остальные элементы: фосфор, сера, кислород, железо, калий и др. Без наличия хотя бы одного из указанных элементов рост будет незначительным или его совсем не будет.

По типам питания микроорганизмы можно разделить на несколько групп.

По источнику энергии все организмы делятся на фототрофы — организмы, способные использовать энергию света, и хемотрофы — организмы, которые нуждаются в химических источниках энергии.

По источнику углерода организмы делятся на автотрофы — организмы, использующие в качестве главного источника углерода диоксид углерода С02, и гетеротрофы — организмы, нуждающиеся в органических источниках углерода.

На основе этих критериев (признаков) все организмы делятся на четыре главные категории:

1. Фотоавтотрофы — используют свет в качестве источника энергии и СО2 в качестве основного источника углерода. К этой категории относятся фотосинтезирующие бактерии.

2. Фотогетеротрофы - используют свет в качестве источника энергии и органические вещества в качестве источника питания. К ним относятся пурпурные и зеленые бактерии.

3. Хемоавтотрофы — используют химический источник энергии и СО2 в качестве основного источника углерода.

4. Хемогетеротрофы — используют химический источник энергии и органическое вещество в качестве основного источника углерода. Следует отметить, что у этой группы организмов одно и то же органическое соединение может быть источником как энергии, так и углерода. К хемогетеротрофам относятся грибы и подавляющее большинство бактерий.

Многие микроорганизмы обладают значительной «гибкостью» в отношении питания, поэтому приведенная выше классификация требует для этих организмов уточнения. Организм, который не может переключаться на другой тип питания, называют облигатным, а организм, способный к переключению на иной тип питания, —факультативным [4].

3 Влияние внешней среды на жизнедеятельность микроорганизмов