Глава II. Химический состав клетки

Все живые организмы состоят из одних и тех же химических элементов. И растительные, и животные, и бактериальные клетки содержат кислород, углерод, водород и азот. На долю этих элементов приходится до 98 % массы клетки. Больше всего в живых клетках кислорода—6 —75 %. Преобладание кислорода объясняется тем, что в живых организмах содержится очень много, иногда до 98 %. воды. В высушенных клетках соотношение элементов меняется, и на первое место становится углерод. Кроме четырех перечисленных элементов, в клетках непременно присутствуют кальций, фосфор, калий, сера, натрий, магний, железо и хлор. Все вместе они составляют от 1,9 до 3,0 % массы клетки. Все остальные элементы, а их обнаружено около 60, составляют в клетках живых организмов сотые доли процента.

Элементарный состав биомассы различных микроорганизмов весьма сходен. Так, сухое вещество бактерий и плесневых грибов имеет элементарную формулу C₁₄H₂₁O₇N₂, а водорослей—C₁₅H₁₆O₅N₂. Элементарный состав биомассы активного ила, в кото­рый, помимо бактерий, входят микроскопические животные,— C₅H₉O₂N.

Клеточное вещество микроорганизмов содержит неорганическую и органическую части. К первой относятся вода и минеральные соли, вторая представлена в основном углеводами, жирами, белками и нуклеиновыми кислотами.

Вода и минеральные соли

Вода в клетках микроорганизмов обычно составляет от 75 до 90%. Колебания зависят от вида организма, возраста культуры, состава питательной среды, условий существования и других причин.

Роль воды в организме разнообразна. Химические процессы, протекающие в живом организме, невозможны при отсутствии воды. Все питательные вещества поступают в клетку в виде водных растворов. С помощью воды из клеток удаляются многие отработанные продукты. Вода принимает и непосредственное участие в химических реакциях, протекающих в клетке, например, в гидролитическом расщеплении сложных соединений, в реакциях окисления—восстановления и других процессах. Поэтому нормальная жизнедеятельность клеток, их развитие и размножение происходят только в водной фазе окружающей среды.

Потребность различных микроорганизмов в воде неодинакова: бактерии не способны жить в отсутствие капельной воды, в то время как многие грибы и актиномицеты могут довольствоваться парами воды. Потребность организма в воде можно выразить количественно, с помощью параметра «активность воды» окружаю­щей среды или субстрата. Активность воды (а_w) представляет собой отношение давления пара раствора к давлению водяного пара. Для воды значение a_w равно 1,00, при растворении в воде различных веществ a_w снижается. Микроорганизмы могут расти на средах со значением a_w между 0,99 и 0,63, причем для большинства бактерий оптимум развития лежит в пределах 0,99—0,93, дрожжей—0,91—0,88; некоторые штаммы дрожжей и плесеней способны нормально функционировать и при более низких значениях a_w.

Вода активно участвует в тепловом балансе клетки. Строение молекулы воды, ее полярность, обеспечивает возможность образования дополнительных связей между атомами водорода, относящимися к разным молекулам. Образование дополнительных связей сопровождается выделением тепла, их разрыв—поглощением тепла. При повышении или понижении температуры окружающей среды энергия затрачивается на разрыв или образование дополнительных водородных связей, вследствие чего смягчается воздействие на клетку температурных колебаний.

Многообразие биологических функций воды в клетке объясняется тем, что она присутствует в ней не только в форме самостоятельного вещества (свободная вода), но и в соединении с компонентами цитоплазмы (связанная вода). Содержание связанной воды влияет на способность клетки к перенесению неблагоприятных условий. Чем ниже степень гидратации, тем устойчивее клетки к пониженным и повышенным температурам и высушиванию, тем устойчивее белки к свертыванию.

При значительной потере воды всё процессы в клетках замирают. При образовании спор у бактерий и цист у простейших вода в клетке переходит в связанное состояние.

Содержание сухих веществ в клетке варьирует в широких пределах, но в среднем колеблется от 10 до 30 %. Содержание минеральных солей в сухом остатке составляет в среднем 5—10 %, но оно в очень большой степени зависит от вида микроорганизма, возраста культуры и состава питательной среды. Так, содержание фосфора (Р₂О₅) изменяется в пределах от 5 до 74% от общей массы сухого остатка, калия (К₂О)—от 2,4 до 39,8, натрия (Na₂O) —от 0,2 до 28, кальция (СаО)—от 0,3 до 14,0, магния—от 0,12 до 12 %. В среднем в сухом остатке азот составляет 8—15 %, фосфор—1,5—5, калий—2,2—2,8, магний и кальций—0,4—0,9 %.

Различная потребность организмов в элементах минерального питания определяется той ролью, которую каждый элемент играет в жизни клетки. Соединения фосфора, входящие в состав нуклеиновых кислот, жироподобных веществ, играют очень важную роль в обмене. Калий имеет большое значение для процессов роста клеток. Элементы, содержащиеся в золе в меньшем количестве, не менее существенны для жизни клетки: сера входит в состав некоторых аминокислот (цистин, метионин), ферментов (коэнзим А) и витаминов (биотин, тиамин); магний—в состав хлорофилла, а также—в виде рибонуклеата—в состав клеточных стенок грамположительных бактерий. Кроме того, ионы магния и кальция стимулируют активность ферментативных реакций. Железо играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах. Медь, кобальт, цинк и некоторые другие микроэлементы требуются микроорганизмам в количестве 0,01—0,0001 мг/л. Обычно их не вносят в питательную среду, так как они в достаточном количестве содержатся в природной воде. Роль этих микроэлементов в жизни клетки чаще всего связана со стимуляцией действия витаминов и ферментов: например, кобальт входит в состав витамина Bi₂, молибден и бор способствуют усвоению молекулярного азота клубеньковыми бактериями, медь и цинк входят в состав окислительных ферментов.