Мир микроорганизмов в природе

Роль микроорганизмов в круговороте веществ. С помощью микроорганизмов органические соединения растительного и животного происхождения минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.

Круговорот углерода. В круговороте углерода активное участие принимают растения, водоросли и цианобактерии, фиксирующие СО₂ в процессе фотосинтеза, а также микроорганизмы, разлагающие органические вещества отмерших растений и животных с выделением СО₂. При аэробном разложении органических веществ образуются СО₂ и вода, а при анаэробном брожении — кислоты, спирты, СО₂. Так, при спиртовом брожении микроорганизмы (дрожжи и др.) расщепляют углеводы до этилового спирта и диоксида углерода. Молочнокислое брожение, вызываемое молочнокислыми бактериями, характеризуется выделением молочной и уксусной кислот и диоксида углерода. Процессы пропионовокислого (вызываемого пропионибактериями), маслянокислого, ацетонобутилового (вызываемых клостридиями) и других видов брожения сопровождаются образованием различных кислот и диоксида углерода.

Круговорот азота. Атмосферный азот связывают только клубеньковые бактерии и свободноживущие микроорганизмы почвы. Органические соединения растительных, животных и микробных остатков подвергаются в почве минерализации микроорганизмами, превращаясь в соединения аммония. Процесс образования аммиака при разрушении белка микроорганизмами получил название аммонификации, или минерализации азота. Активно разрушают белок такие бактерии, как псевдомонады, протей, бациллы, клостридии. При аэробном распаде белков образуются диоксид углерода, аммиак, сульфаты и вода; при анаэробном — аммиак, амины, диоксид углерода, органические кислоты, индол, скатол, сероводород. Разложение мочевины, выделяющейся с мочой, осуществляют уробактерии, расщепляющие ее до аммиака, диоксида углерода и воды. Образующиеся аммонийные соли в результате ферментации бактериями органических соединений могут использоваться высшими зелеными растениями. Но наиболее усвояемыми для растений являются нитраты — азотнокислые соли. Эти соли появляются при распаде органических веществ в процессе окисления аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты. Данный процесс называется нитрификацией, а микроорганизмы, его вызывающие, — нитрифицирующими. Нитрифицирующие бактерии выделил и описал русский ученый С. Н. Виноградский (1890—1892). Нитрификация проходит в две фазы: первую фазу осуществляют бактерии рода нитрозомонас и др., при этом аммиак окисляется до азотистой кислоты, образуются нитриты; во второй фазе участвуют бактерии рода нитробактер и др., при этом азотистая кислота окисляется до азотной и превращается в нитраты. Две фазы нитрификации являются примером метабиоза — взаимоотношений микроорганизмов, при которых один микроорганизм размножается, используя продукты жизнедеятельности другого микроорганизма.

Нитраты повышают плодородие почвы, однако существует и обратный процесс: нитраты могут восстанавливаться в результате процесса денитрификации до выделения свободного азота, что обедняет его запас в виде солей в почве, приводя к снижению ее плодородия.

Использование микроорганизмов человеком. Микроорганизмы широко используются в пищевой промышленности, домашнем хозяйстве, микробиологической промышленности для получения аминокислот, ферментов, органических кислот, витаминов и др. К классическим микробиологическим производствам относится виноделие, пивоварение, приготовление хлеба, молочнокислых продуктов и пищевого уксуса. Например, виноделие, пивоварение и производство дрожжевого теста невозможны без использования дрожжей — сумчатых грибов, широко распространенных в природе. История индустриального производства дрожжей началась в Голландии, где в 1870 г. была основана первая фабрика, выпускавшая дрожжи. Основным видом продукции стали прессованные дрожжи влажностью около 70 %, которые могли храниться всего несколько недель. Длительное хранение было невозможно, так как клетки прессованных дрожжей оставались живыми, сохраняли свою активность, что и приводило к их автолизу и гибели. Одним из способов промышленного консервирования дрожжей стало высушивание. В сухих дрожжах при низкой влажности дрожжевая клетка находится в анабиотическом состоянии и может сохраняться длительное время. Первые сухие дрожжи появились в 1945 г. В 1972 г. появилось второе поколение сухих дрожжей, так называемые инстантные

дрожжи. С середины 1990-х годов появилось третье поколение сухих дрожжей: пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые объединили достоинства инстантных дрожжей с высококонцентрированным комплексом специализированных хлебопекарных ферментов в одном продукте. Эти дрожжи позволяют не только улучшить качество хлеба, но и активно противостоять процессу черствения. Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae используются и в производстве этилового спирта. Виноделие использует множество разных рас дрожжей, чтобы получить уникальную марку вина с только ему присущими качествами.

Молочнокислые бактерии принимают участие в приготовлении таких пищевых продуктов, как квашеная капуста, соленые огурцы, маринованные маслины и множество других маринованных продуктов. Молочнокислые бактерии преобразуют сахар в молочную кислоту, которая предохраняет пищевые продукты от гнилостных бактерий. С помощью молочнокислых бактерий готовят большой ассортимент молочнокислых продуктов, творог, сыр. Однако многие микроорганизмы играют отрицательную роль в жизни человека, являясь возбудителями болезней человека, животных и растений; они могут вызывать порчу пищевых продуктов, разрушение различных материалов и т.п. Для противоборства с такими микроорганизмами были открыты антибиотики — пенициллин, стрептомицин, грамицидин и др., которые являются продуктами метаболизма грибов, бактерий и актиномицетов.

Микроорганизмы дают человеку необходимые ферменты. Так, амилазу используют на предприятиях пищевой, текстильной, бумажной промышленности. Протеаза вызывает разложение белков в различных материалах. На Востоке протеазу из грибов применяли уже несколько столетий назад для приготовления соевого соуса. В настоящее время ее используют при производстве моющих средств. При консервировании фруктовых соков применяют такой фермент, как пектиназа. Микроорганизмы используют для очистки сточных вод, переработки отходов пищевой промышленности.

При анаэробном разложении органического вещества отходов образуется биогаз. В последние годы появились новые производства. Из грибов получают каротиноиды и стероиды. Бактерии синтезируют многие аминокислоты, нуклеотиды и другие реактивы для биохимических исследований.

Основные вехи истории микробиологии. Основные вехи истории микробиологии, связанные с именами известных естествоиспытателей и микробиологов Микробиологию развивали большие и малые открытия известных и менее известных естествоиспытателей и микробиологов. Иногда это были драматические открытия, особенно в медицинской микробиологии, когда микробиологи, прививая возбудитель себе лично, погибали.

Первооткрывателем микроорганизмов был голландец Антони ван Левенгук (1632 —1723), сконструировавший первый микроскоп в 1676 г. А. Левенгук впервые увидел в прозрачной капле воды множество бактерий, которых он назвал «маленькими зверушками

». В 1695 г. он издал книгу «Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком». К миру микроорганизмов было привлечено всеобщее внимание, началось описание разных представителей диковинного микроскопического мира. Однако ученые того времени не подозревали о роли, которую играют микроорганизмы в природе. Для них это были лишь весьма курьезные интересные существа.

Накопление знаний о микроорганизмах длилось довольно долго, около 100 лет, так как было крайне трудно их изучать. Этот период принято называть описательным. В XVIII в. шведский естествоиспытатель К.Линней (1707—1778), создатель системы животного и растительного мира, объединил все микроскопические существа в один род, который он назвал «хаос». В одной из работ К.Линней отнес бактерии к червям и высказал мысль о безнадежности более точного познания этих невидимых существ. Однако развитие техники и различных отраслей естествознания в XIX в. дали толчок развитию и микробиологии, которая из описательной постепенно превращалась в исследовательскую,

физиологическую науку.

Начало нового этапа микробиологии, названного физиологическим, связано с именем французского микробиолога Л.Пастера (1822 —1895), который впервые показал ог-

ромную роль микроорганизмов как возбудителей разнообразных биохимических превращений и заболеваний человека. Многочисленные исследования Л. Пастера открыли новый период в развитии микробиологии, который назвали физиологическим и который

продолжается до настоящего времени. Первый период научной деятельности Л. Пастера связан с изучением различных видов брожения. Л. Пастер установил, что каждый вид брожения имеет свои возбудители, живущие без воздуха. Было открыто явление анаэробиоза, что имело большое значение для создания теории брожения. Л. Пастер доказал, что микроорганизмы вызывают болезни вина и пива, гниение и распад мочевины.

Второй период научной деятельности Л. Пастера был посвящен изучению возбудителей заболеваний и знаменуется тем, что в это время им были открыты возбудители таких заболеваний, как сибирская язва и бешенство. Против бешенства он создал вакцину. Невозможно переоценить значение открытий Л. Пастера. Его имя навсегда вписано в историю микробиологии. Он первым доказал, что микроорганизмы энергично воздействуют на окружающую природу, в том числе на человека и на пищевые продукты

основу жизни человека. В 1885 г. в лаборатории Л. Пастера был изготовлен первый автоклав.

Одним из основоположников современной бактериологии является немецкий микробиолог Р. Кох (1843 — 1910), доказавший бактериальную природу сибирской язвы. Р. Кох сфотографировал бациллы сибирской язвы и стал основателем микробиологической фотографии. Им был открыт и изучен возбудитель такого заболевания, как туберкулез — Mycobacterium tuberculosis, который в его честь назван палочкой Коха. Р. Кох открыл также холерный вибрион. Имя Коха золотыми буквами вписано в историю микробиологии. Много времени Р. Кох уделял разработке микробиологических методов исследования: им сконструирован осветительный аппарат

к микроскопу, разработан метод микрофотографирования и окрашивания бактерий анилиновыми красителями. Но самым существенным для дальнейшего развития микробиологии было его предложение о введении в микробиологию твердых питательных

сред с использованием желатина, а позднее агар-агара. Этот метод дал возможность получать микроорганизмы в виде чистых культур, что открыло совершенно новые подходы для более углубленного изучения микроорганизмов.

Один из сотрудников Р.Коха — Робер Петри — предложил особую стеклянную посуду, которую знают и используют микробиологи всего мира, — чашку Петри. Второй сотрудник — Джон Тиндаль — предложил многократное нагревание сред для их стерилизации, получившее название «тиндализация».

Голландским микробиологом М.Бейеринком (1851 —1931) была создана знаменитая школа физиологии микроорганизмов в г. Дельфте. Ученый рассматривал очень широкий круг вопросов микробиологии: выделил клубеньковые бактерии, а затем азотфиксирующую бактерию Azotobacter chroococcum. Он занимался изучением процесса денитрификации и др.

В 1921 г. М. Бейеринка сменил А.Клюйвер (1888—1956). Если у М.Бейеринка кафедра была научным Олимпом, где открывались все новые и новые типы микроорганизмов, то у А. Клюйвера кафедра стала мастерской, где учитель вместе с учениками изучал разнообразную биохимическую активность микроорганизмов. На кафедру А. Клюйвера стекались молодые микробиологи из многих стран мира. После работы в Дельфте они возвращались в свои страны и там открывали новые центры изучения физиологии микроорганизмов.

Родоначальником русской микробиологии можно считать И. И.Мечникова (1845 — 1916). Классические работы И.И.Мечникова положили начало новому этапу в развитии микробиологии. И.И.Мечников работал в основном с патогенными микроорганизмами. Центральная проблема его исследований — изучение взаимоотношений микроба (паразита) и хозяина (человека). В результате многосторонних и многолетних исследований И. И. Мечников создал фагоцитарную теорию иммунитета, т.е. невосприимчивости человека к повторному заражению после перенесенного инфекционного заболевания. Им было доказано, что защита организма от патогенных микробов является сложной биологической реакцией, которая связана со способностью белых кровяных телец (фагоцитов) захватывать и разрушать посторонние тела, попавшие в организм. Л.Пастер и И.И.Мечников положили начало изучению антагонизма микробов, что явилось основой самостоятельной науки об антибиотиках.

В конце XIX в. русский микробиолог Д. И. Ивановский (1864 — 1920) открыл вирус табачной мозаики, чем положил начало новой науки — вирусологии. Спустя годы были открыты вирусы многих болезней растений, животных и человека. Сейчас известно более 500 видов вирусов, которые угрожают человеку, животным и растениям.

Советским микробиологом Н.Ф.Гамалея (1859—1949) был открыт возбудитель холеры птиц — бактериолизин. Н.Ф. Гамалея было обосновано значение дезинсекции для ликвидации сыпного и возвратного тифов. Н.Ф.Гамалея был организатором первой в России пастеровской станции в Одессе по прививкам против бешенства в 1886 г. Вся деятельность Н.Ф.Гамалея была направлена на решение важнейших вопросов здравоохранения в нашей стране.

Огромный вклад в развитие микробиологии внес русский и советский микробиолог С. Н.Виноградский (1856 — 1953), много лет изучавший автотрофные бактерии. Вслед за изучением серобактерий и железобактерий С. Н. Виноградский занялся изучением химических превращений аммиака в почве. В 1890 г. он выделил автотрофные нитрифицирующие бактерии, обладающие способностью превращать почвенный аммиак сначала в нитриты, а затем в нитраты. В 1893 г. Виноградский открыл в почве свободноживущие бактерии, фиксирующие азот атмосферы. Он ввел в микробиологическую практику элективные (специфические) среды, пригодные только для роста бактерий с особыми потребностями. Исследования С. Н. Виноградского по физиологии микроорганизмов дали возможность русской микробиологии занять ведущее место в мировой науке о микроорганизмах. С. Н. Виноградский является основоположником сельскохозяйственной микробиологии.

Значительный вклад в физиологию микроорганизмов внес русский советский микробиолог С. П. Костычев (1877 — 1931), считавший, что физиология начинается там, где изучаются свойства микроорганизмов как целого сложного аппарата. Он исследовал

химию и биохимию спиртового брожения; изучал и организовывал производство лимонной кислоты из сахара грибом Asp.niger.

Русским и советским микробиологом В. Л. Омелянским (1867 — 1928), учеником С. Н. Виноградского, был написан первый учебник по микробиологии на русском языке «Основы микробиологии» (1909 г.), за 30 лет выдержавший 9 изданий. Кроме этого учебника В.Л. Омелянский написал «Практическое руководство по микробиологии». Эти книги до сих пор сохранили свою значимость. По этим учебникам учились многие поколения русских и советских микробиологов.

Советские микробиологи академик В.Н.Шапошников (1884 —1968) и профессор Ф.М.Чистяков (1898 — 1959) в 1930 г. основали завод по производству ацетона и бутилового спирта с использованием бактерий. В.Н.Шапошников написал первый в СССР учебник «Техническая микробиология», за который он в 1950 г. получил Государственную премию.

Итак, этап за этапом развивалась микробиология. Чем больше микробиологи открывали новых видов микроорганизмов и глубже узнавали их свойства, тем больше появлялось новых необходимых продуктов. Но наряду с этим все острее вставали вопросы порчи пищевых продуктов. Из недр фундаментальной микробиологии выделилась пищевая микробиология, объектом изучения которой стали микроорганизмы, как используемые для получения пищевых продуктов, так и вызывающие порчу этих продуктов.

Одним из основателей пищевой микробиологии в СССР является Я.Я.Никитинский (младший) (1871 —1941), написавший курс пищевой микробиологии. Совместно с профессором Б. С.Алеевым было написано учебное пособие по микробиологии скоропортящихся продуктов и руководство к практическим работам по микробиологии для студентов, изучающих товароведение продовольственных товаров, общественное питание. Работы Я. Я. Никитинского и его учеников послужили основой для создания консервного производства и холодильного хранения пищевых продуктов. Основоположниками микробиологии молока и молочных продуктов являются С.А.Королев (1876 —1932) (Вологодский молочный институт) и А. Ф. Войткевич (1875 —1950) (Московская сельскохозяйственная академия им. К. А. Тимирязева).

В настоящее время все отрасли пищевой промышленности имеют свои научно-исследовательские институты с крупными микробиологическими лабораториями, изучающими микроорганизмы, используемые в данной отрасли. На всех предприятиях пищевой промышленности созданы заводские микробиологические лаборатории, которые строго контролируют технологический процесс и качество готовых пищевых продуктов. Место микроорганизмов среди живых организмов. Во второй половине XIX в. немецкий биолог Э.Геккель (1834—1919) выделил микроорганизмы в отдельное (третье) царство Protista (протиста) (гр. protos — самый простой), так как они существенно отличаются и от животных, и от растений.

Позднее царство Protista подразделили на высшие и низшие протесты, потому что было выявлено два типа клеточной организации — эукариотный и прокариотный (термины предложены протозоологом Э. Шаттоном в 30-х гг. XX в.). В прокариотной клетке нет ядра, а есть только одна внутренняя полость, образуемая клеточной оболочкой. В эукариотной клетке есть ядро и вторичная полость, так как ядерная мембрана отграничивает ДНК от остальной цитоплазмы. Кроме того, есть еще мембраны хлоропластов, митохондрий и других органелл. Так как прокариотная и эукариотная организации клеток принципиально различны, было предложено все клеточные организмы подразделить на прокариоты и эукариоты. Исследования продолжались, и в 1938 г. было выделено царство Мопега, в которое были включены бактерии, актиномицеты, цианобактерии. В 1969 г. все живые организмы были подразделены на пять царств: Protista, Мопега, Plantae (растения), Fungi (грибы) и Animalia (животные). Такое подразделение стало наиболее популярным. Для подразделения живых существ на пять царств были использованы два критерия — структурный и экологический. По структурному критерию живые организмы были подразделены на три царства: прокариоты (бактерии), одноклеточные и многоклеточные эукариоты. По экологическому критерию многоклеточные эукариоты, в свою очередь, были подразделены на три царства: растения (Plantae), грибы (Fungi) и животные (Animalia), различающиеся по способу питания. Так, растения обладают фототрофным типом питания за счет фотосинтеза, грибы — осмотрофным (абсорбционным) типом питания, животные — голозойным типом питания, заключающимся в захватывании и переваривании твердой пищи. Микроорганизмы занимают три царства: Monera, Protista и Fungi. Кроме того, в изучаются вирусы, которые являются крупнейшими молекулами и в то же время наименьшими формами живой материи. Вирусологи рассматривают их как воспроизводящиеся в организме информационные макромолекулы, которые сами по себе организмами не являются. Впервые наблюдать вирусы и выяснить их структуру удалось только после изобретения электронного микроскопа. Вирусы занимают место между самыми мелкими бактериальными клетками и самыми крупными органическими молекулами.

Общие свойства микроорганизмов. Микроорганизмы — это особи, имеющие малую величину и видимые только под микроскопом. Так как микроорганизмы очень малы, их размер измеряется в микрометрах: 1 миллиметр (мм) = 1000 микрометров (мкм) = = 1 000000 нанометров (нм) = 10 000 000 ангстрем (А). Биофизики вычислили основные параметры бактериальной клетки. Например, шаровидная клетка бактерий диаметром 0,5 мкм имеет поверхность 7,9-10~9 см2, объем 6,5 • 10~14 см3, массу 6,9• 10~14 г; 1 г бактерий содержит 100 млрд клеток. Диаметр большинства бактерий не превышает тысячной доли миллиметра. Эта величина — микрометр (мкм) — и стала «аршином » микробиолога. Размеры мелких цианобактерий, дрожжей и простейших находятся в пределах 10 мкм. У таких малых организмов соотношение между поверхностью и объемом очень велико. Если куб с длиной граней 1 см (объем 1 см3) разбить на кубики с длиной граней 1 мкм, мы получим 1012 кубиков объемом по 1 мкм3 каждый. Суммарная поверхность этих кубиков в 10000 раз ольше, чем поверхность исходного куба. Объем 1 мкм3 характерен для средней бактериальной клетки. Такое большое отношение поверхности к объему приводит к интенсивнейшему взаимодействию с внешней средой: с этим связан очень быстрый обмен веществами между средой и клеткой многих микроорганизмов. Поскольку интенсивность обмена у микроорганизмов зависит от их размера, скорости прироста микроорганизмов очень высоки. Например, в организме одного быка массой 500 кг за 24 ч образуется примерно 0,5 кг белка. За то же время 500 кг дрожжей могут синтезировать более 50 000 кг белка.

Микроорганизмы отличаются очень большой гибкостью метаболизма Для бактерий высокая способность к адаптации (приспособлению) совершенно необходима из-за малых размеров. В клетке микрококка есть только несколько сотен тысяч белковых молекул. Поэтому ненужные в данное время ферменты не могут содержаться про запас. Некоторые ферменты, необходимые для переработки питательных веществ, синтезируются только тогда, когда соответствующее вещество появляется вблизи клетки. Клеточные регуляторные механизмы у микроорганизмов играют существенно большую роль и проявляются более отчетливо, чем у других живых существ Клетку микроорганизма можно сравнить с микроскопически малой фабрикой, которая получает сырье из окружающей среды и делает из него настоящие чудеса.

Имея малую массу, микроорганизмы легко распространяются с воздушными потоками. Они существуют повсюду. Только среда определяет, какие формы будут в данном месте активно размножаться. Создавая в пробирке селективные условия, можно из небольшого количества земли, из пищевых продуктов получить накопительные культуры, а из них и чистые культуры большинства известных микроорганизмов. Велико значение микроорганизмов в природе: они разрушают трупы животных, остатки корней, стеблей и листьев растений и превращают мертвое органическое вещество в плодородный почвенный гумус, или перегной.

Морфологи, строение, размножение и классификация прокариотных микроорганизмов (бактерий)

Форма бактерий. Существуют три основные формы бактерий – шаровидная, палочковидная и спиралевидная, большая группа нитчатых бактерий объединяет преимущественно водные бактерии и не содержит патогенных видов.

Шаровидные бактерии – кокки, подразделяются в зависимости от положения клеток после деления на несколько групп: 1) диплококки (делятся в одной плоскости и располагаются парами); 2) стрептококки (делятся в одной плоскости, но при делении не отделяются друг от друга и образуют цепочки); 3) тетракокки (делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя группы по четыре особи); 4) саруины (делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя группы кубической формы); 5) стафилококки (делятся в нескольких плоскостях без определенной системы, образуя скопления, напоминающие виноградные грозди). Средний размер кокков 1,5-1мкм.

Палочковидные бактерии имеют строго цилиндрическую или овоидную форму, концы палочек могут быть ровными, закругленными, заостренными. Палочки могут располагаться попарно в виде цепочек, но большинство видов располагается без определенной системы. Длина палочек варьирует от 1 до 8 мкм.

Спиралевидные формы бактерий подразделяют на виброны и спириллы. Изогнутость тел вибронов не превышает одной четверти оборота спирали. Спириллы образуют изгибы из одного или нескольких оборотов.

Некоторые бактерии обладают подвижность, что отчетливо видно при наблюдении методом висячей капли или другими методами. Подвижные бактерии активно передвигаются с помощью особых органелл – жгутиков либо за счет скользящих движений.

Капсула имеется у ряда бактерий  и является из внешним структурным компонентом. У ряда бактерий аналогом капсуле имеется образование в виде тонкого слизистого слоя на поверхности клетки. У некоторых бактерий капсула формируется в зависимости от условий их существования. Одни бактерии образуют капсулы только в микроорганизме, другие как в организме, так и вне его, в частности на питательных средах, содержащих повышенные концентрации углеводов. Некоторые бактерии образуют капсулы независимо от условий существования. В состав капсулы большинства бактерий полимиризованные полисахариды, состоящие из пентоз и аминосахаров, урановые кислоты, полипептиды и белки. Капсула не является аморфным образованием, а определенным образом структурирована. У некоторых белков, например, пневмококков, определяет их вирулентность, а также некоторые антигенные свойства.

Строение бактериальной клетки. Клеточная стенка бактерий определяет их форму и обеспечивает сохранение внутреннего содержимого клетки. По особенностям химического состава и структуры клеточной стенки бактерии дифференцируют с помощью окрашивания по грамму.

Строение у клеточной стенки различно у грамположительных и грамотрицательных бактерий. Основным слоем клеточной стенки.

Цитоплазматическая мембрана бактерии прилипает к внутренней поверхности клеточной стенки, отделяет ее от цитоплазмы и я является очень важным в функциональном отношении компонентом клетки. В мембране локализованы окислительно-восстановительные ферменты, с системой мембран связаны такие важнейшие функции клетки, как деление клетки, биосинтез ряда компонентов, хемо и фотосинтез и др. Толщина мембраны у большинства клеток составляет 7-10нм. Электрономикороскопическим метолом обнаружено, что она состоит из трех слоев: двух электронно-плотных и промежуточнно-электронно-прозрачного. В состав мембраны входят белки, фосфолипиды, микропротеины, небольшое количество углеводов и некоторых других соединений. Многие белки мембраны клетки являются ферментами, участвующие в процессах дыхания, а также в биосинтезе компонентов клетчатой стенки и капсулы. В составе мембраны также определяются пермеазы, обеспечивающие перенос в клетку растворимых веществ. Мембрана служит астрономическим барьером, она обладает избирательной полупроницаемостью и ответственна за поступление внутрь клетки питательных веществ и отходов из нее продуктов обмена.

Помимо цитоплазматической мембраны, в клетке бактерии имеются система внутренних мембран, получивших название мезосом, которые, вероятно, являются производственными цитоплазматической мембраны; их строение варьирует у разных видов бактерий. Наиболее развиты мезосомы у грамположительных бактерий. Строение мезосом неоднотипно, их полиморфизм отмечаются даже у одного и того же вида бактерий. Внутренние мембран структуры могут быть представлены простыми инвагинациями цитоплазматической мембраны, образованиями в виде пузырьков или петель (чаще у грамотрицательных бактерий) в виде вакуялярных, ламелярных, тубулярных образований. Мезосомы чаще всего локализованы у клеточной перегородки, отмечается также их связь с нуклеоидом. Поскольку в мезосомах обнаружены дыхания и окислительного фосфорилирования, многие считают их аналогами митохондрий. Клеток высших. Предполагается, что мезосомы принимают участие в делении клетки, распределении дочерних хромосом в разделяющиеся клетки и спорообразовании. С мембранным аппаратом клетки связано также функции фиксации азота, хемо- и фотосинтеза. Следовательно можно полагать, что мембрана клетки играет своего рода координирующую роль в пространственной организации в пространственной координации ряда ферментных систем и органелл клетки.

Цитоплазма и включения. Внутреннее содержание клетки состоит из цитоплазмы, представляющей собой сложную смесь различных органических соединений, находящихся в коллоидном состоянии. На ультратонких срезах цитоплазмы можно обнаружить большое количество зерен, значительная часть которых является рибосомами. В цитоплазме бактерии могут содержаться клеточные включения в виде гранул гиксогена, крахмала, жировых веществ. У ряда бактерий в цитоплазме находятся гранулы волютина, состоящих из  неорганических полифосфатов, метафосфатов и соединений близких к нуклеиновым кислотам. Роль волютина до конца не ясна. Некоторые авторы на основании его исчезновения при голодании клеток рассматривают валютин как запасные питательные вещества. Валютин обладает средством к основным красителям, проявляя хромофильность метохрамазию, легко вживляется в клетках в виде крупных гранул, особенно при специальных метолах окраски.

Рибосомы бактерии являются местом синтеза белков в клетке в процессе которого образуются структуры, состоящие из большого числа рибосом, называемые полирибосомами или чаще пелисомами. В образовании полисом принимает участие м-РНК. По окончании синтеза данного белка полисомы вновь распадаются на одиночные рибосомы, или субъединицы. Рибосомы могут располагаться свободно в цитоплазме, но значительная их часть связана с мембранами клетки. На ультратонких срезах большинства бактерий рибосомы обнаруживаются в цитоплазме в виде гранул диаметром около 20 нм.

Наследственный материал. Бактерии обладают дискретной ядерной структурой, в связи со своеобразием строения, получившей название нуклоида неклеоиды бактерии. Содержат основное количество ДНК клетки. Они окрашиваются методом Фейльгена. Хорошо видны при окраске по романовскому-Шице, после кислотного гидролиза или в живом состоянии при фазово-контрастной микроскопии, а также на ультратонких срезах в электронном микроскопе. Нуклеоид определяется в виде компактного одиночного или двойного образования. У растущих культур нуклеоиды часто выглядят в виде раздвоенных образований, что отражает их деление. Митотического деления ядерных структур у бактерий не обнаружено. Форма нуклеоидов и их распределение в клетке весьма изменчивы и зависят от ряда причин, в том числе и от возраста культуры. На электронных микрофотографиях в местах расположения нуклеоидов видны светлые участки меньшей оптической плотности. Ядерная вакуоль не отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой. Форма вакуоли не постоянна. Ядерные участки заполнены пучками тонких нитей, образующих сложное переплетение. В составе ядерных структур бактерий не обнаружены гистоны, предполагают, что их роль у бактерий выполняют полиамины. Ядра бактерий не похожи на ядра других организмов. Это послужило основой для выделения бактерий в группу прокариотов, в отличии от эукариотов, обладающих ядром, содержащим хромосомы, оболочку и делящиеся путем митоза. Нуклеоид бактерии соединен с мезосомой. Характер связи пока не известен. Хромосома бактерии имеет циркулярно-замкнутую структуру. Подсчитано, что длина замкнутой в кольцо ДНК клетки составляет 1100-1400мкм, а молекулярный вес 2,8*10 .

Жгутики и ворсинки На поверхности некоторых бактерий имеются органы движения – жгутики. Их можно обнаружить с помощью особых методов окраски, микрокопирования в темном поле или в электронном микроскопе. Жгутики имеют спиралевидную форму, причем шаг спирали специфичен для каждого вида бактерий. На основании количества жгутиков и их расположения на поверхности клетки различают следующие группы подвижных микробов: монотрихи, амфитрихи, лофотрихи и перетрихи. Монотрихи имеют один жгутик, расположенный на одном из полюсов клетки и реже субполярно или катерально. У амфитрихов на каждом полюсе клетки расположено по одному жгутики. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном или двух полюсах клетки. У перетрихов жгутики расположены без определенного порядка по всему телу клетки.

На поверхности некоторых бактерий (энтеробактерий), кроме жгутиков, имеются ворсинки (фимбрий, пили), видимые только под электронным микроскопом. Различают несколько морфологических типов ворсинок. Наиболее изучен первый тип (общий) и ворсинки существующие только при наличие в клетке половых факторов. Ворсинки общего типа покрывают всю поверхность клетки, состоят из белка; половых ворсинок приходится 1-4 на клетку и те и другие обладают антигенной активностью.

Пигменты бактерий. Колониям многих бактерий и грибов свойственна яркая окраска, обусловленная выделением окрашенного продукта в окружающую среду или же пигментацией самой клетки. Способность к образованию пигментов детерминирована генетически и поэтому может использоваться в качестве характерного признака. Окрашенные формы легче выявлять и идентифицировать. Среди пигментов могут встречаться представите­ли различных классов веществ: каротиноиды, феназиновые красители, пирролы, азахиноны, антоцианы и др.

Рост и способы размножения бактерий. Рост прокариотной клетки — это согласованное увеличение количества всех химических компонентов, из которых она построена. Рост является результатом множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регулярным контролем, и приводит к увеличению массы и размеров клетки. Рост клетки не беспределен. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению. Для большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток. У большинства грамположительных бактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущей от периферии к центру. Поперечная перегородка формируется из ЦПМ и пептидогликанового слоя. Наружные слои синтезируются позднее. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки. Например, у Е. coli на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся и направленное внутрь искривление ЦПМ и клеточной стенки. Вариантом бинарного деления является почкование, при котором на одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), увеличивающийся в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки и отделяется от нее. Почкующиеся клетки подвергаются старению. При равновеликом бинарном делении материнская клетка дает начало двум дочерним клеткам, а сама исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке и между ними можно обнаружить морфологические различия.

Деление прокариотной клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после завершения цикла деления ДНК.

Спорообразование бактерий. Вегетативные клетки многих прокариот для перенесения неблагоприятных условий образуют специальные клетки (эндоспоры), обладающие повышенной устойчивостью. В основе морфологического дифференцирования лежат биохимические процессы, запрограммированные соответствующей генетической информацией. Образование эндоспор происходит только у прокариот. Эндоспора формируется внутри материнской клетки (спорангия), обладает специфическими структурами: многослойными белковыми покровами, наружной и внутренней мембранами, кортексом Эндоспоры устойчивы к повышенным температурам, дозам радиации, которые детальны для вегетативных клеток. К спорообразующим бактериям относится большое число прокариот из 15 родов, среди которых есть палочковидные, сферические, спириллы и нитчатые организмы. Все они имеют клеточную стенку, характерную для грамположительных прокариот. В каждой бактериальной клетке образуется, как правило, одна эндоспора.

Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus и Clostridium. Перед спорообразованием происходит деление ДНК вегетативной клетки. Образуется тяж вдоль длинной оси клетки, затем приблизительно '/3 тяжа отделяется и переходит в формирующуюся спору в одном из полюсов клетки. 'Затем происходит уплотнение цитоплазмы, которая вместе с ДНК обособляется от остального содержимого клеток с помощью перегородки. Перегородка формируется путем впячивания ЦПМ от периферии к центру, где срастается, и образуется споровая оболочка. Отсеченный участок «обрастает» второй мембраной и образуется проспора. На следующем этапе между мембранами проспоры начинает формироваться кортекс, а снаружи синтезируются споровые покровы, состоящие из нескольких слоев.

У многих бактерий поверх покровов эндоспоры формируется еще одна структура — экзоспориум, структура которого зависит от вида бактерий. У прокариот из рода Clostridium обнаружены придатки на экзоспориуме различного строения, иногда весьма причудливого. Функциональное значение этих выростов не выяснено. Эндоспоры прокариот характеризуются очень низким уровнем метаболизма, они очень устойчивы к воздействию факторов внешней среды: высоким и низким температурам, обезвоживанию, литическим факторам, высокой кислотности среды, радиации, механическим воздействиям и т. п. Механизмы устойчивости эндоспор пока мало изучены. Считается, что эндоспорам прокариот придают устойчивость обезвоженное состояние цитоплазмы,

i ермостойкость споровых ферментов, наличие дипиколиновой кислоты и большое количество двухвалентных катионов. Устойчивости эндоспор способствуют также поверхностные структуры: мембраны, кортекс, покровы, механически защищающие. Эндоспора содержит почти все сухое вещество клетки, но занимает в 10 раз меньший объем. Эндоспоры не являются обязательной стадией жизненного цикла бацилл. При благоприятных условиях питания бациллы могут неограниченное время размножаться

делением. Образование эндоспор начинается только тогда, когда не хватает питательных веществ и когда в избытке накапливаются продукты обмена.

В благоприятных условиях большинство эндоспор прорастает. Процент прорастания эндоспор можно увеличить, прогрев одни споры в воде при 60 °С в течение 5 мин, другие — при 100 °С в течение 10 мин. Тепловой шок должен проводиться непосредственно перед высевом.

В пищевой промышленности для уничтожения термоустойчииых эндоспор бактерий прибегают к дорогостоящей стерилизации пищевых продуктов. Например, если при пастеризации (нагревание при 80 °С в течение 10 мин) пищевых продуктов вегетативные

клетки спорообразующих бактерий и все остальные бактерии погибают, то термоустойчивые эндоспоры выдерживают значительно более сильное нагревание, а некоторые споры — даже кипячение в течение нескольких часов.

Классификация бактерий. По мере описания все новых бактерий появилась острая необходимость систематизировать и сравнивать с известными вновь описываемые культуры. В конце XIX—начале XX в. появились определители бактерий, которые помогают классифицировать, идентифицировать вновь выделенные бактерии по определенным признакам. При классификации основной задачей является определение вида бактерий. Вид — это группа близких между собой организмов, имеющих одинаковое происхождение и характеризующихся определенным и морфологическими, биохимическими и физиологическими при шаками, способствующими приспособлению к определенной среде обитания.

Виды объединяются в роды, роды — в семейства, затем следуют порядки, классы, отделы, царства. Вид бактерий описывают с помощью признаков: морфологических, культуральных, физиолого-биохимических и др.

Морфологическими признаками являются форма клетки, наличие или отсутствие жгутиков, капсулы, способность к спорообразованию, окрашивание по Граму. К культуральным признакам относятся общий вид бактериальной колонии, наличие пигмента и др. Физиолого-биохимическими признаками являются способ получения энергии, потребности в питательных веществах, отношение к факторам внешней среды и др.

Самым современным определителем для идентификации бактерий является «Краткий определитель бактерий Берги», наиболее полно описывающий известные бактерии. В 8-м издании этого определителя все бактерии, за исключением цианобактерий, сгруппированы в 19 частях.

Морфология, строение, размножение эукариотных микроорганизмов (мицеллиальные грибы и дрожжи)

Общая характеристика грибов. Грибы (Fungi) – это отдельное царство организмов, насчитывающее свыше 100 тысяч видов, различных по образу жизни, строению и внешнему виду. Считается, что всего на Земле полтора миллиона видов грибов. Царства живых организмов (ЦЖО) грибы Признаки животных и растений Из этих схем видно, что грибы имеют и признаки растений и признаки живот-ных, но у грибов есть и свои особенности: часть грибного организма; его плодовое тело, и самое главное

в грибе – это его грибница, состоящее из множества нитей – гиф. Тело гриба представляет мицелий (грибницу), состоящий из совокупности тончайших нитей - гиф. Толщина их не превышает 5-6 мкм. Они могут быть разде-лены на клетки или представлять собой как бы одну разветвленную клетку. Гифы, плотно сплетаясь образуют ложную ткань. Клетки грибов лишены пластид, сходных по составу с хитином насекомых, изредка встречается целлюлоза.

В качестве запасных веществ - углевод гликоген, масла, валютин. Крахмал не образуется. Продол-жительность их жизни от нескольких дней до нескольких лет. Нахождение грибов из года в год на одном месте объясняется долговечностью мицелея. Велико так же разнообразие в строении и размерах грибов (дрожжевой гриб состоит из одной клетки микроскопических размеров, а трутовик - его мицелий пронизывает ствол дерева от основания до вершины).

Все грибы нуждаются во влаге и тепле. Оптимальная температура для большинства 20-25 градусов. Свет им не нужен. Царство грибов делится на подцарства: Низшие (у которых тело состоит из одной клетки) и Высшие (которые имеют многоклеточный мицелий). Грибы также разделяют по способам питания на паразитические, шляпочные и плесневые Широко известны шляпочные грибы — лисички, мухоморы, белые, грузди. Пеницилл вырабатывает вещества, губительно действующие на бактерии. Их выделяют и используют для лечения воспалительных заболеваний. К этой же группе относятся дрожжи — одноклеточные грибы, которые могут образовывать колонии, это используется в хлебопечении. Паразитические грибы живут и питаются за счет живых организмов (растений, животных и человека). Дереворазрушающие макромицеты, или ксилофаги – виды, которые поселяются на древесине.

Многие из них живут за счёт разложения живой древесины – это грибы-паразиты. Паразиты могут жить не только на деревьях, но и на других растениях: так, спорынья поражает рожь. Pleurotus ostreatus – хищный гриб. Небольшие почвенные черви нематоды прилипают к специальным выростам на грибнице таких грибов; гриб прорастает в тело червя и питается им Широко распространены в природе грибы-симбиотрофы, которые получают необходимые для жизни органические

Строение клетки грибов. Клетка большинства грибов — это часть гифы. У аскомицетов и

дсйтеромицетов мицелий делится поперечными перегородками на отдельные камеры, но называть эти камеры клетками можно с большой натяжкой, так как у многих видов грибов клетки содержат нефиксированное число ядер, редко одно, чаще 2...3 и даже 20. Клеточная перегородка имеет центральную пору, через которую из одной клетки в другую могут мигрировать питательные вещества, вирусы и даже ядра. Клетка, или камера, грибов состоит из хорошо выраженной клеточной стенки толщиной около 0,2 мкм и цитоплазмы с мембранными структурами.

Клеточная стенка. Клеточная стенка определяет устойчивую форму гифы. Она представляет собой плотную упругую полимерную структуру, выполняющую опорно-механическую функцию, защищает клетку от воздействия внешних факторов, обладает избирательной проницаемостью для веществ различной химической природы. Клеточная стенка у грибов на 80... 90 % состоит из полисахаридов, азотсодержащих (хитин) и безазотистых. В клеточной стенке содержатся также белки, липиды, полифосфаты, нуклеиновые кислоты. В состав клеточной стенки входят РНК (1 % сухой массы), ферменты, которые принимают участие в ее наращивании в длину. В наружных слоях стенки откладываются пигменты — меланины, содержание которых составляет 2...3 % сухой массы гифы. Постоянные компоненты клеточной стенки грибов — липиды, которые представлены в основном насыщенными жирными кислотами.

Цитоплазма. Внутреннее содержимое клетки составляет цитоплазма — коллоидная фаза с различной степенью вязкости. Через цитоплазму осуществляется непосредственная связь между органеллами клетки. В цитоплазме располагаются ядра, мембранные структуры, рибосомы, лизосомы, ломасомы, митохондрии, вакуоли.

Ядро — основная структура любого эукариотного организма. Оно осуществляет генетическую, формативную и метаболическую функции, контролируя дифференциацию клетки, синтез белка и других соединений, обменные процессы, размножение, синтез клеточных структур de novo. Обычно в грибной клетке содержится не одно, а несколько ядер. Ядро у грибов имеет четкие границы, определяемые двойной мембраной, содержит ядрышко и хроматиновую сеть. Ядерная мембрана имеет поры, через которые идет перенос макромолекул из ядра в цитоплазму. Размеры ядер находятся в пределах 1 ...3 мкм, но у некоторых грибов их размеры достигают 20... 25 мкм. В вегетативном мицелии

по мере роста и деления клеток преимущественно осуществляется митотическое деление ядра (все стадии митотического деления ядра хорошо описаны цитологически); при образовании гамет и прорастании зиготы осуществляется мейоз. При митотическом делении ядра идет удвоение хромосом, образуется диплоидное ядро, при мейозе — уменьшение хромосом и образование гаплоидного ядра.

В мицелии грибов могут быть одновременно ядра диплоидные и гаплоидные. Это так называемый гетерокариоз грибов.

Мембранные структуры представлены цитоплазматической мембраной, цитоплазматическим ретикулюмом и аппаратом Гольджи. Цитоплазматическая мембрана выполняет несколько функций: увеличивает поверхность клетки, участвует в транспорте веществ, осуществляет другие метаболические процессы.

Цитоплазматический ретикулюм (система внутренних мембран, или эндоплазматическая сеть) представляет собой систему канальцев, пузырьков или цистерн.

Аппарат Гольджи представляет собой группу пузырьков различного диаметра или дисковидных пластинок с одинарной мембраной. Аппарат Гольджи морфологически связан с ядерной мембраной и другими мембранами эндоплазматического ретикулюма. Роль аппарата Гольджи многогранна: это транспортная структура, а на отдельных его элементах идет синтез новых мембран.

Рибосомы — частицы, состоящие из РНК и белков, расположены на внутренней стороне канальцев, пузырьков или цистерны цитоплазматического ретикулюма. На рибосомах осуществляется синтез белка. Рибосомы в основном содержатся в цитоплазме диффузно.

Лизосомы, являющиеся производными аппарата Гольджи, разнообразные по форме тельца. Они отшнуровываются от аппарата Гольджи в виде пузырьков и распределяются по клетке, выполняя различные функции: расщепляют белки; в них отлагаются и расщепляются все вещества, подлежащие удалению из клетки.

Ломасомы — образования в виде пузырьков, возникающие между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной в результате отслоения мембраны от стенки. В ломасомы поступают ферменты лизиса и синтеза клеточной стенки из апикальных везикул; через них же идет ее новообразование.

Митохондрии — структуры с двойной мембраной. Наружная поверхность митохондрий гладкая, внутренняя образует впячивания, которые называют кристами. Кристы увеличивают активную поверхность митохондрий. На митохондриях располагаются многие ферменты, в частности ферменты окислительного фосфорилирования, цепи переноса электронов и др., здесь происходит биосинтез белков, углеводов, липидов. Митохондрии имеют собственную ДНК, локализованную в определенных зонах, которые

можно назвать митохондриальными «нуклеотидами». Поэтому митохондрии являются саморепродуцирующимися структурами, а не возникают в клетке de novo.

Вакуоли — производные или эндоплазматического ретикулюма, или аппарата Гольджи, которые находятся в цитоплазме. Если вакуоли являются производными эндоплазматического ретикулюма, то они содержат запасные питательные вещества: волютин, липиды, гликоген. Если же вакуоли являются производными аппарата Гольджи, то они аккумулируют продукты обмена, ставшие токсичными.

Видоизменения мицелия грибов. Мицелий многих, особенно дереворазрушающих, грибов может распространяться по сосудам древесины на расстояние нескольких метров. Сохранить единство особи на таком протяжении с помощью гиф толщиной несколько микрон невозможно. Поэтому мицелий объединяется в толстые тяжи, состоящие из параллельно идущих гиф, плотно прилегающих друг к другу и имеющих между собой перемычки —анастомозы, часто склеенные ослизненными наружными оболочками. Эти образования называются ризоморфами. Ризоморфы способствуют вегетативному размножению гриба и инфицированию растения, а также сохранению гриба при неблагоприятных условиях.

Некоторые виды грибов на определенной стадии развития образуют склероции — тела плотной консистенции, обычно темного цвета или ярко окрашенные, размером от одного или нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров.Самыми большими из известных являются подземные склероции гриба Polyporus mylittae (Австралия) размером с человеческую голову и массой до 15 кг. У аборигенов они считаются съедобными. Известны под названием «black fellow's bread». Склероции обычно служат грибу для перенесения неблагоприятных условий.

У некоторых грибов в образовании склероция может принимать участие и ткань растения-хозяина, пронизанная мицелием. Гак, зараженные возбудителем плодовой гнили Monilia fructigena яблоки чернеют и мумифицируются, превращаясь в склероции.

Способы размножения грибов. Грибы имеют три способа размножения: вегетативное, бесполое и половое. Способы бесполого и полового размножений грибов чрезвычайно разнообразны и являются основой для классификации этих организмов.

Вегетативное размножение. Вегетативное размножение — это размножение без образования специализированных структур размножения. Существуют два пути вегетативного размножения. Во-первых, размножение может происходить отдельными участками мицелия, для чего кусочки мицелия переносят с одной среды на другую.Можно также из кусочка плодового тела стерильно вырезать кусочек и поместить на питательную

среду. Во-вторых, размножение может осуществляться путем деления многоклеточного таллома на большое число фрагментов, каждый из которых вырастает в новый индивидуум (фрагментация). При фрагментации гифы предварительно образуют частые перегородки и затем распадаются по ним на отдельные клетки овальной или цилиндрической формы, называемые оидиоспорами (цилиндрические). Если такие споры образуют толстую оболочку, то они называются хламидоспорами. Хламидоспоры способны переносить неблагоприятные условия. Вегетативное размножение у дрожжей происходит путем почкования клеток.

Бесполое размножение. Бесполым называется размножение с образованием специализированных структур размножения, образованию которых не предшествует предварительное слияние клеток или объединение ядер. Бесполый цикл у грибов обычно повторяется много раз. Бесполые споры у одних грибов образуются в специальных вместилищах (эндогенно), а у других — открыто (экзогенно). Бесполые споры, образующиеся в спорангиях, называются спорангиоспорами. Они могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные спорангиоспоры, называемые зооспорами, имеют один или два жгутика. Спорангии образуются на специальных гифах, которые называются спорангиеносцами. Спорангиеносец со спорангием поднимается кверху от субстрата. Такое расположение спорангиев способствует распространению спор потоками воздуха после их высвобождения. Бесполые споры, образующиеся экзогенно, называются конидиями. Они всегда неподвижны, образуются на специальных гифах — конидиеносцах. Конидии и конидиеносцы очень разнообразны. Например, конидии бывают окрашены во все цвета, варьируют в размерах, бывают круглые, овальные, цининдрические, игловидные, звездчатые и др.; имеют разное число клеток — от одной до множества. Перегородки в спорах могут располагаться поперечно и продольно, могут иметь придатки . Конидии могут агрегироваться в тесные группы, образуя коремию; располагаться тесным слоем на специальной поверхности из переплетения гиф, образуя ложе; формироваться в специальных вместилищах разнообразной формы и строения — пикнидах.

Половое размножение. Половому размножению обязательно предшествует слияние специальных клеток и последующее объединение или слияние ядер. Продукт слияния клеток — зигота, или зигоспора. Конечный результат полового процесса — образование специальных спор, с помощью которых и осуществляет и дальнейшее размножение особи.

гаметангии морфологически могут быть различными. Женский гаметангий называется оогоний, или аскогон, мужской — антеридий. Способы полового процесса у грибов следующие: гаметогамия, гаметангиогамия и соматогамия.

Гаметогамия — это половой процесс, при котором происходит слияние двух гамет, одна из которых или обе подвижны. Гаметогамия может быть изогамной (слияние морфологически не различающихся гамет), гетерогамной (слияние гамет, различающихся по размерам) или оогамной (оплодотворение крупной яйцеклетки мелкими подвижными сперматозоидами).

Гаметангиогамия —- это способ полового процесса, при котором сливаются две специальные половые структуры — гаметангии, дифференцированные на гаметы В результате слияния формируется зигоспора, которая после периода покоя прорастает в

спорангии.

Соматогамия встречается у многих высших грибов, у которых не образуется никаких половых структур, а половую функцию ! выполняют соматические клетки, т. е. происходит слияние обычных соматических клеток мицелия В результате слияния происходит образование перемычек (анастомозов) между гифами мицелия. Такой тип полового процесса характерен для базидиомицетов и некоторых сумчатых грибов У базидиомицетов плазмогамия и кариогамия разделены во времени.

На мицелии после полового процесса образуются плодовые тела в недрах которых и возникают споры полового размножения — аскоспоры и базидиоспоры.

Наиболее совершенный тип плодового тела аскомицетов — апотеций, форма которого может быть в виде блюдца, чаши или бокала, верхняя сторона которого выстлана гимением, состоящим из сумок. Выброс аскоспор из апотециев происходит активно.

К базидиомицетам относятся шляпочные грибы (белый, подберезовик, сыроежка и др.). На нижней стороне шляпки расположен гименофор в виде трубочек, пластинок, шипов. В трубочках и между пластинками гименофора образуются базидиоспоры

Классификация грибов.

І. Низшие грибы, или фикомицеты (Phycomycetes). Мицелий неклеточный или с небольшим количеством перегородок, у наиболее примитивных в виде голого комочка протоплазмы — амёбоида или в виде одной клетки с ризоидами.

II класс. Сумчатые грибы, или аскомицеты (Ascomycetes). Мицелий многоклеточный, гаплоидный, на нём развиваются конидиальные спороношения. Характерно образование сумок с аскоспорами — основных органов размножения.

III класс. Базидиомицеты (Basidiomycetes). Мицелий многоклеточный, как правило, дикариотический; конидиальные (гаплоидные) стадии редки. Характерно образование базидий, несущих на стеригмах базидиоспоры. Включает подавляющее большинство употребляемых человеком в пищу, а также ядовитых Г. и многих паразитов злаков и др. культурных и диких растений.

IV класс. Несовершенные грибы (Deuteromycetes, или Fungi imperfecti). Мицелий многоклеточный, размножение только бесполое — конидиями. Полового размножения не имеют (не образуют ни сумок, ни базидий). Один из порядков этих Г. (Mycelia sterilia) характеризуется полным отсутствием каких-либо спор, в том числе и конидий

Дрожжи. В классификации грибов особое место занимают дрожжи — одноклеточные грибы, относящиеся к классу аскомицетов (Ascomycefes). Клетки дрожжей неподвижны, иногда образуют так называемый ложный мицелий. Дрожжи широко распространены в природе (в почве, на поверхности растений, плодов, ягод и овощей, в самых разных субстратах, содержащих сахар) и используются человеком с древнейших времен в пищевой промышленности, виноделии, пивоварении, хлебопечении и других производствах, связанных с брожением, т. е. с превращением сахара в этиловый спирт и диоксид углерода под влиянием жизнедеятельности дрожжей. Однако спонтанное развитие дрожжей в пищевых продуктах, содержащих сахар, вызывает их порчу: продукт вспучивается, разрыхляется, происходит изменение его запаха и вкуса.

Форма и строение дрожжевой клетки. Клетки дрожжей имеют самую разнообразную форму: округлую, овальную, овально-яйцевидную, эллиптическую, цилиндрическую, лимоновидную, серповидную, колбовидную. Длина дрожжевой клетки не превышает 10...15 мкм. Дрожжи являются эукариотами, строение клетки дрожжей сходно со строением клетки грибов. В состав клеточной стенки дрожжей входят гемицеллюлозы (60...70% сухой массы), небольшие количества белка, липидов и хитин. В цитоплазме клетки дрожжей расположены ядро с ядерной мембраной, эндоплазматическая есть, аппарат Гольджи, лизосомы, рибосомы, митохондрии и вакуоли с запасными питательными веществами, которые могут быть капельками жира, волютина, гликогена.

При развитии на жидких средах клеточные стенки некоторых дрожжей могут ослизняться и склеиваться друг с другом, образуя оседающие на дно хлопья. Такие дрожжи называют хлопьевидными. Дрожжи, клеточные стенки которых не ослизняются, называются пылевидными. Пылевидные дрожжи в жидкости находятся во взвешенном состоянии.

Размножение дрожжей Дрожжи размножаются как вегетативным, так и половым способом. Наиболее широко распространенным способом вегетативного размножения является почкование; некоторые виды дрожжей размножаются бинарным делением клетки. При почковании на поверхности дрожжевой клетки появляется бугорок (почка), который постепенно увеличивается в размерах до материнской клетки. Перед почкованием происходит деление ядра клетки, одна часть которого вместе с цитоплазмой и клеточными микроструктурами переходит в молодую почку. По мере роста почки в месте соединения ее с материнской клеткой образуется перетяжка, отграничивающая почку, которая и отделяется, оставив на материнской клетке шрам. Почкующиеся дрожжевые клетки могут образовывать не одну, а несколько почек, которые тоже могут начать образование почек. Постепенно образуются скопления из многих объединенных между собой клеток, которые называют сростками почкования. На поверхности жидких сред такие сростки почкования образуют тонкую пленку, легко разрушающуюся при взбалтывании жидкости. Есть дрожжи, образующие более или менее толстые морщинистые пленки, удерживающиеся при взбалтывании жидкости. Такие пленчатые дрожжи вызывают порчу квашеных овощей, вина, пива.

Аскоспоры — споры полового размножения — образуются в голом аске, развившемся из зиготы или из одной вегетативной клетки. Гаплоидные почкующиеся клетки дрожжей могут сливаться (копулировать), при этом сливаются ядра, а потом они редукционно делятся и образуются четыре аскоспоры. У некоторых видов дрожжей число аскоспор может быть две, четыре, восемь и даже двенадцать. Диплоидные клетки дрожжей крупнее и физиологически активнее гаплоидных. В промышленности используют преимущественно диплоидные и полиплоидные расы. Есть и аспорогенные (не образующие спор) дрожжи, большинство которых размножается исключительно почкованием: Torulopsis, Cryptococcus и др.

Как было сказано выше, дрожжи относятся к сумчатым грибам — аскомицетам. Однако в 70-е годы XX в. у некоторых дрожжей, которые считались «несовершенными» (род Rhodotorula), были обнаружены жизненные циклы с половыми стадиями, очень сход ными с таковыми у базидиомицетов. В связи с этим одни дрожжи были отнесены к базидиомицетам (Rhodotorula), а другие — к аскомицетам (Candida).

Таким образом, дрожжи — это аско- и базидиомицеты, которые в вегетативной стадии размножаются почкованием или делением (что приводит к их одноклеточному росту) и не образуют плодовых тел.

Основные представители дрожжей. Систематическое деление дрожжей на семейства, роды и виды основано на особенностях их размножения, физиологических, биохимических, морфологических и генетических признаков. Для пищевой промышленности наибольшее значение имеет род сохаромицес (Saccharomyces). В этот род входят как природные виды, так и виды, полученные путем селекции. Их называют расами дрожжей. Они различаются способностью сбраживать разные сахара, интенсивностью брожения, количеством образуемого спирта, оптимальной температурой брожения, образованием спор и др.

В пищевой промышленности наиболее широко используют два вида дрожжей рода Saccharomyces: Sacch. cerevisiae и Sacch. elhpsoideus, или Sacch. vini.

Сахаромицес церевизиа (Sacch. cerevisiae) имеют круглую или овальную форму клетки. Их используют для получения этилового спирта, а также в пивоварении, квасоварении, хлебопечении. Каждое производство использует свои специфические расы дрожжей, дающие возможность получить конечный продукт с заданными свойствами.

Сахаромицес еллипсоидеус (Sacch. elhpsoideus, или Sacch. vini) имеет клетки эллиптической формы. Этот вид дрожжей используемся преимущественно в виноделии.

Каждая марка вина производится с использованием специфической расы дрожжей.

Все виды дрожжей рода сахаромицес и некоторые природные дрожжи при спонтанном (самопроизвольном) развитии на пищевых продуктах, содержащих сахар, иызывают их порчу: брожение и прокисание.

Из других родов дрожжей наибольшее значение имеют два: торулопсис (Torulopsis) и кандида (Candida), которые широко распространены в природе, и способны вызвать спиртовое но вызывают порчу пищевых продуктов, а дрожжи рода кандида имеют к тому же патогенные формы, вызывающие кандидозы слизистой оболочки полости рта, особенно часто у детей. Дрожжи рода торулопсис имеют клетки округлой или овальной формы. Эти дрожжи вызывают лишь слабое спиртовое брожение. Отдельные виды этих дрожжей используют при производстве кумыса и кефира.

Дрожжи рода кандида имеют клетки вытянутой, цилиндрической формы, иногда образуют примитивный мицелий. Есть виды, например С. mycoderma, которые могут окислять сахар и этиловый спирт в органические кислоты и являются вредителями при производстве вин, пива, пекарских дрожжей. Они вызывают также порчу квашеных овощей, безалкогольных напитков и многих других пищевых продуктов. Некоторые виды дрожжей рода кандида использовались в животноводстве и птицеводстве для производства кормового белка, богатого витаминами. Для этих же целей использовались пигментные (желтые, красные, розовые) дрожжи из рода родоторула (Rhodotoruld), богатые каротиноидами.

Производство пекарских дрожжей. Пекарские прессованные и сухие дрожжи изготовляют на специализированных дрожжевых заводах. Питательной средой для их выращивания служит осветленная, очищенная и разбавленная водой свекловичная меласса — отход свеклосахарного производства. Дополнительно добавляют азот- и фосфорсодержащие соли. Температура выращивания поддерживается около 30°С, рН среды 4,5...5,5. Дрожжи растут при интенсивной аэрации, непрерывной подаче воздуха. Дрожжи содержатт, сахар используется ими не для брожения, а для синтеза веществ клеток, которые активно размножаются. Когда образуетмаксимальное число клеток на объем среды, их сливают, отделяют от среды, промывают водой, сгущают, прессуют до содержания влаги 73... 75 %. Дрожжевую массу формуют в виде брикетов содержанием дрожжевых клеток 8... 12 млрд в 1 г. Брикеты упаковывают в бумагу и охлаждают до температуры 4°С. В таком видеони поступают на реализацию.

Главным недостатком прессованных дрожжей является непродолжительный срок годности, так как дрожжи быстро автолизируются и портятся. После Второй мировой войны стали производить сухие дрожжи с содержанием влаги 8... 10 %. Это были сферические гранулы около 1 мкм в диаметре. Дрожжевая масса высушивалась в течение

10...20 ч в горизонтальном сушильном аппарате. Главным недостатком этих дрожжей была потеря значительной части активности в процессе сушки из-за неблагоприятного режима сушки.

В начале 70-х годов XX в. появилось второе поколение сухих дрожжей — инстантные дрожжи. Технология их приготовления заключалась в использовании специального метода быстрой сушки без повреждения клеточной мембраны и консервации дрожжей вакуумом. Сушка производилась в горячем воздушном потоке, конечная влажность продукта составляла 4%, продолжительность сушки — 20 мин.

В середине 90-х годов XX в. появилось третье поколение сухих дрожжей, объединившее достоинства инстантных дрожжей с высококонцентрированным комплексом специальных хлебопекарных ферментов в одном продукте. Эти дрожжи получили название «Фермипан

Супер». Дрожжи третьего поколения позволяют улучшать качество хлеба и активно противостоять процессу черствления.

Вирусы и их значение в жизни человека

Вирусы. Фаги. Изобретение электронного микроскопа позволило впервые наблюдать мельчайшие организмы - вирусы и фаги. Вирус (лат.- viris - яд) - это особая группа организмов меньших размеров и более простой организации, чем бактерии. Человек встречается с вирусами прежде всего как с возбудителями наиболее распространенных болезней,поражающих человека, животных, растения и даже одноклеточные организмы-бактерии, грибы и простейшие. Вирусы поражают все живое на земле.

П ервый вирус - вирус мозаики табака - был открыт нашим соотечественником Д. И. Ивановским в 1892 г., и открытие это положило начало вирусологии. Первый вирус, поражающий одноклеточные организмы, был открыт канадским микробиологом Ф. д'Эррелем в 1916 г. и назван бактериофагом, что означает пожиратель бактерий. Размер некоторых вирусов всего в несколько раз превышает размер крупных белковых молекул. Исчисляется он в нанометрах (1 нм = 1~10^-6 мм). Наиболее мелкими являются вирусы ящура (8-12 нм), вирусы гриппа средних размеров (80-120 нм), одним из наиболее крупных является вирус оспы (120-200 нм). Вирусы различимы лишь с помощью электронных микроскопов, дающих увеличение в десятки тысяч раз. Вирусы не имеют клеточного строения. Они бывают шарообразной, палочковидной; нитевидной и сперматозоидной формы. Вирусная частица называется вирионом. Она состоит из двух нуклеиновых кислот и белка глобулина. Если она содержит ДНК, то такие вирусы паразитируют у человека и животных. РНК содержится в вирусах растений. Из белка построена одно-двухслойная оболочка, в которой заключена ДНК или РНК.

Важнейшим отличием вирусов от бактерий является неспособность размножаться вне организма. Вирусы являются внутриклеточными паразитами и размножаются только в живых клетках. Каким же образом размножается вирус, как он синтезирует свои белки, как формируется его потомство? Всю работу по производству молекул для вирусного потомства выполняет сама клетка-хозяин, которая предоставляет вирусу все свои возможности для синтеза вирусных белков и нуклеиновых кислот - сырье, ферменты. Хорошо отлаженный аппарат для синтеза белка, механизмы транспорта. С зараженной клеткой происходит удивительная метаморфоза: она перестает работать по своей информации и узнавать свои собственные молекулы информационной РНК. Вместо этого клеточные рибосомы связывают вирусные информационные РНК и по их программе синтезируют вирусные белки.

Вирусы обладают разной устойчивостью к внешним воздействиям. Многие инактивируются при 60°С в течение 30 мин, другие выдерживают температуру 90°С до 10 мин. Вирусы легко переносят высушивание и низкие температуры, но малоустойчивы ко многим антисептикам, ультрафиолетовым лучам, радиоактивным излучениям.

Вирусы бактерий называют бактериофагами или фагами, вирусы грибов- микофагами, актиномицетов - актинофагами.

Размеры фагов колеблются от 40 до 140 км. Проникая в клетки, бактериофаги вызывают их лизис - растворение. Воздействие фага на бактериальную клетку происходит в несколько стадий (см. рис. 10): абсорбция фага на бактериальной клетке с помощью базальной пластинки с зубцами и нитями; проникновение ДНК из головки фага по каналу в бактериальную клетку, в которой затем под влиянием фаговой ДНК происходит полная перестройка обмена веществ, синтезируется уже не бактериальная ДНК, а фаговая, что приводит к образованию в бактериальной клетке новых частиц фага; растворение клеточной стенки бактерии; ее гибель.

Б актериофаги наносят большой вред в молочной промышленности (производстве сыров, творога, сметаны) и в производстве.маргарина. Они поражают в основном молочнокислые стрептококки заквасок, используемых для получения этих продуктов. В антибиотической промышленности актинофаги лизируют производственную культуру актиномицетов продуцентов антибиотиков.

Некоторые фаги применяют в медицинской практике для профилактики или лечения заболеваний (например, дизентерии, холеры). В последнее время фаги служат объектами и "моделями" при изучении многих имеющих теоретическое и практическое значение вопросов общей и молекулярной биологии, биохимии, генетики, медицины и др.

Культивирование и рост микроорганизмов

Структура клеток микроорганизмов. Функционирование клетки как системы. Механизмы энергетического обмена клетки. Условия роста микроорганизмов. Физиология роста микроорганизмов. Типы питания микроорганизмов. Культивирование микроорганизмов.

Вода является той необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции, с водой же удаляются из клетки продукты обмена.

Часть воды в клетке находится в связанном состоянии с белками, углеводами и другими веществами и входит в клеточные структуры. Остальная вода находится в свободном состоянии и служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений, образующихся в клетке при обмене веществ. Содержание свободной воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и др. Так, в спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках. Потеря свободной воды приводит к высыханию клетки и изменению обмена веществ. Потеря связанной воды приводит к нарушению клеточных структур и гибели клетки.

Сухая биомасса клетки — это в основном полимеры.

Белки. Содержание белков в клетке составляет около 50 %. У разных микроорганизмов содержание белков следующее (%): у бактерий 40...80, у дрожжей 40...60, у грибов 15...40. Белки выполняют две основные функции: во-первых, входят в состав всех мембран клетки; во-вторых, играют роль ферментов — биохимических катализаторов, которые обусловливают, направляют и ускоряют почти все химические реакции, происходящие в

живой клетке. Среди белков есть и такие, которые убивают жизнь, — токсины. Бактериальные токсины наиболее ядовитые. Некоторые микроорганизмы синтезируют большое количество белков в клетке — до 80 %. Такие микроорганизмы рассматриваются

как возможные продуценты кормового и пищевого белка. Промышленное производство таких белков рентабельно, так как микроорганизмы быстро растут независимо от времени года и погоды. В качестве сырья для их роста используются отходы пищевой и других отраслей промышленности. Продуцентами могут быть дрожжи, бактерии и водоросли, особенно цианобактерии.

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В клетке содержится от 3 до 4 % ДНК и от 10 до 20 % РНК. В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация вида. ДНК сосредоточена в основном в ядре эвкариотной клетки и в нуклеоиде прокариотной клетки. Часть ДНК находится в плазмидах. РНК сосредоточена главным образом в рибосомах (до 80%), синтезирующих белок, и в цитоплазме.

Липиды. В клетке образуется до 10 % липидов. Некоторые дрожжи и плесневые грибы синтезируют до 40... 60 % липидов. Липиды входят в состав цитоплазматической мембраны и в состав мембран. Могут находиться в цитоплазме в виде гранул.

Клеточная стенка. Клеточная стенка обусловливает целостность клетки и составляет до 20 %. Пигменты и минеральные вещества. Клетки микроорганизмов содержат в небольших количествах пигменты и минеральные вещества. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов, некоторые из них выделяются в окружающую среду. Фотосинтезирующие бактерии образуют пигмент бактериохлорофилл. Фототрофные микроорганизмы и отдельные виды дрожжей образуют каротиноиды, некоторые из которых являются провитамином витамина А. Микроорганизмы, синтезирующие такие пигменты, являются перспективными продуцентами белково-витаминных кормов.

Минеральные вещества (элементы) составляют не более 5 %. Из них 50 % принадлежит углероду; 20 — кислороду; 10 — водороду; 10... 15 — азоту; 2... 6 % — фосфору. Другие элементы содержатся в еще меньших количествах: сера — 1 %; калий — 1; кальций — 0,5; магний — 0,5; железо — 0,2 % и др. Минеральные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.

Функционирование клетки как системы Клетка может быть рассмотрена как система, состоящая из четырех подсистем: геном клетки с хромосомой, аппаратом репликации (репликсомой) и РНК-полимеразой; рибосома — аппарат синтеза белка; цитоплазма (цитозоль), которая включает в себя сеть метаболических путей с обслуживающими их ферментами; мембрана с энергодающим аппаратом синтеза АТФ и транспортными системами, осуществляющими взаимодействие клетки с окружающей ее средой.

Геном клетки. Геном клетки представляет собой постоянную для вида компоненту и может быть оценен анализом ДНК. Установлена последовательность оснований ДНК, соответствующих многим отдельным генам. Хромосома содержит: генетическую информацию вида; генетическую информацию для собственной репликации за счет предшественников (азотистых оснований), поступающих из цитоплазмы, и энергии, поступающей от энергодающего мембранного аппарата; информацию для синтеза белка РНК-полимеразным блоком в соответствии с регуляторными сигналами в виде белков — активаторов и репрессоров, поступающих из цитоплазмы.

Рибосома. Рибосома представляет собой РНК-содержащий аппарат синтеза белка из аминокислот-предшественников, поступающих из цитоплазмы и расходующих энергию, поступающую от энергодающего мембранного материала. Рибосома действует в соответствии с командами, получаемыми через РНК-полимеразу от хромосомы. Рибосома оценивается по суммарному содержанию РНК в клетке. В покоящейся клетке РНК мало, но по мере активизации роста клетки содержание ее увеличивается.

Цитоплазма клетки. Цитоплазма представляет собой прежде всего «котел» метаболических превращений веществ, поступающих извне, с образованием энергетических субстратов для АТФ-продуцирующего блока (энергетический обмен, или катаболизм) и соединений-предшественников для синтеза компонентов клетки (конструктивный обмен, или анаболизм).

Катаболизм и анаболизм в той или иной степени сопряжены, общую их часть называют амфиболизмом, или центральным метаболизмом. Среди процессов центрального метаболизма, которые осуществляют микроорганизмы, первостепенное значение имеет разложение углеводов (глюкозы). Наиболее распространенным является процесс Эмбдена—Мейергофа, или гликолиз , в котором при окислении одной молекулы глюкозы образуются в конечном итоге две молекулы пирувата, две молекулы АТФ и две молекулы восстановителя НАДН. Такой процесс характерен для многих анаэробных органотрофных

сахаролитических организмов, осуществляющих брожение углеводов. Гликолиз проходит в несколько этапов. На первом этапе глюкоза в клетке фосфорилируется с участием фермента гексокиназы и АТФ в качестве донора фосфата и переходит в глюкозо-6-фосфат. На втором этапе глюкозо-6-фосфат изомеризуется ферментом фосфоглюкоизомеразой до фруктозо-б-фосфата. На третьем этапе происходит фосфорилирование фруктозо-бфосфата под действием фермента фосфофруктокиназы за счет АТФ и перехода во фруктозе-1,6-дифосфат. На четвертом этапе фруктозо-6-дифосфат расщепляется ферментом альдолазой до диоксиацетонфосфата и 3-фосфоглицеринового

альдегида, которые находятся в равновесии, катализируемом ферментом триозофосфатизомеразой. Дальше диоксиацетонфосфат превращается в глицерин. Дальнейшему расщеплению подвергаются две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида. На пятом этапе происходит окисление 3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента триозофосфатдегидрогеназы до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, в которой сохраняется энергия, освободившаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида. На шестом этапе фосфатная группа 1,3-дифосфоглицериновой кислоты при участии фермента фосфоглицераткиназы переносится на молекулу аденозиндифосфорной кислоты с образованием 3-фосфоглицериновой кислоты, а АДФ превращается в АТФ. На седьмом этапе 3-фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфоглицеромутазы переходит в 2-фосфоглицериновую кислоту. На восьмом этапе 2-фосфоглицериновая кислота под действием фермента энолазы, теряя воду, переходит в фосфоэнолпируват (фосфопировиноградная кислота). На девятом этапе фосфоэнолпируват под действием фермента пируваткиназы дефосфорилируется, при этом богатая энергией фосфатная группа передается на молекулу АДФ, которая превращается

в АТФ, и образуется пируват (пировиноградная кислота).

Большинство углеродных скелетов аминокислот для синтеза белков поставляет ЦТК. Для синтеза 20 аминокислот достаточно всего шесть исходных метаболитов. В результате других процессов центрального метаболизма образуются пурины, пиримидины, липиды, фосфолипиды, углеводы и другие компоненты клетки, составляющие сложную транспортную сеть веществ.

Цитоплазма является местом действия ферментов. В цитоплазме же находятся компоненты сигнальных путей. Изучение цитоплазматического «котла» привело к созданию метаболических карт, представляющих собой сеть транспортных путей, аналогичную сети промышленного производства.

Помимо более или менее сходного для всех микроорганизмов центрального метаболизма (с циклом трикарбоновых кислот и образованием предшественников аминокислот) существует и подготовительный метаболизм, различный у разных организмов и служащий

для совмещения разнообразных используемых субстратов с реакциями центрального метаболизма. У некоторых организмов реакции катаболизма и анаболизма представляют собой два отдельных потока. Процесс центрального метаболизма — существенная часть биохимии микроорганизмов. Метаболизм бактерий является важнейшей характеристикой их функционального разнообразия.

Мембрана с энергодающим аппаратом. Мембрана с энергодающим аппаратом осуществляет электрохимическое преобразование энергии во внутреннюю энергию мембраны и синтез АТФ. В мембране расположен механизм трансмембранного переноса

исществ: субстратов — внутрь клетки, а продуктов обмена — наружу. Система транспорта определяет сродство клетки к субстратам метаболизма и эффективность осуществляемых ею химических реакций. Об активности энергетического обмена клетки судят по «энергетическому заряду», который соответствует относительному содержанию АТФ и энергизации мембраны. Таким образом, клетка представляет собой систему, все подсистемы которой взаимосвязаны, хотя и индивидуальны.

Механизмы энергетического обмена клетки Энергетический обмен клетки направлен на поддержание и умножение веществ, из которых состоит клетка, и удаление из клетки продуктов обмена. При изучении механизмов энергетического обмена необходимо иметь представление об источниках энергии, механизме поступления питательных веществ в клетку, а также о ферментах, с помощью которых происходят реакции обмена.

Источники энергии. Источниками энергии для организмов могут служить энергия света и энергии окислительно-восстановительных реакций (химическая энеря). При этом если энергию света могут использовать только фосинтезирующие микроорганизмы, то способность использо:ватшмическую энергию присуща всем без исключения организмам, особенно многообразны возможности прокариот.

Окислительно-восстановительнъреакции представляют собой перенос электронов от окисляе мо вещества (донора электронов) к окислителю (акцептору).Перенос электронов от донора акцептору осуществляется через ряд последовательно функционрующих переносчиков. Часть переносчиков закреплена в мембрана, а часть находится в цитоплазме

и сопрягает эти два комплекса клетки. Набор переносчиков характера для каждого организма. Комплекс переносчиков электронов работает как универсальная структура для всех окисляемых веществ лишь бы в метаболизме была реакция, конечным продуктом котой является АТФ — важнейший, но не единственный переносчик энергии в клетке.

Первый механизм синтеза АТС- субстратное фосфорилирование, чаще всего за счет перешофосфорильной группы от богатого энергией соединения на -АД1 Этот способ реализуется при гликолизе, разнообразных брожении других процессах. Субстратное фосфорилирование осуществлятся в цитоплазме и может быть воспроизведено в бесклеточных экстрактах.

Второй механизм синтеза АТФ- мембранное фосфорилирование. Он зависит от наличия энерзованной мембраны и связан с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента ионов, чаще всего ионов водорода. Этот механизм реализуется в процессах дыхании окислительного фосфорилирования) и фотосинтеза (фотофо сфилирования). Концентрация АТФ в клетке определяет ее энергетический заряд.

Максимальный энергетически заряд достигается в период интенсивно идущего катаболизма минимального потребления на анаболизм, но в общем поддерживается в клетке примерно постоянным. Поступление питательных веществ в клетку. Поступление питательных веществ (молекул) в клетку из среды и выделение продуктов обмена определяет взаимодействие клетки со средой. За поступление питательных веидес'в клетку отвечает мембрана которая селективно (избирателе пропускает не все вещества, а только те, которые необходимы данный момент. Некоторые молекулы поступаю клетку путем пассивной диффузии до выравнивания конце нити. Пассивно проходят через мембрану кислород, вода, а так жиры и жирные кислоты.

Пассивная диффузия важна и для удаления из клетки продуктов обмена. Скорость диффузии может быть увеличена за счет механизма облегченной диффузии, в котором участвуют пермеазы — пересекающие мембрану белки-переносчики. Они связываются с транспортируемым веществом, претерпевают конформационные изменения, в результате чего вещество переносится через мембрану в область его более низкой концентрации. Облегченная диффузия ускоряет процесс выравнивания концентраций, но не может привести к концентрированию вещества внутри клетки. Это может сделать только активный транспорт веществ через мембрану, осуществляемый трансмембранными белками. Трансмембранные белки представляют собой важнейшее приспособление клетки для взаимодействия с окружающей средой. Они осуществляют не только перенос молекул через мембрану, но и активный транспорт, который позволяет избирательно концентрировать внутри клетки необходимые ей вещества против градиента, осуществляя специфическую химическую реакцию. Активный транспорт осуществляется с затратой энергии либо АТФ, либо за счет энергизованной мембраны. От активного транспорта зависит сродство (аффинность) клетки к субстрату, а это важнейший признак, определяющий и набор, и концентрацию используемых веществ. Особо надо отметить, что клетки обладают разными системами транспорта вещества, которые включаются в зависимости от высокой или низкой концентрации субстрата.

Ферменты микроорганизмов. Все реакции обмена веществ в клетке осуществляются с помощью ферментов — биологических катализаторов, которые клетка сама же и синтезирует по мере надобности.

Ферменты, состоящие только из белковой молекулы (однокомпонентные), называются протеинами. Ферменты, состоящие из белковой молекулы и небелкового компонента (простетической группы), называются протеидами. Ферменты, которые всегда есть в клетках данного вида микроорганизмов, называются конститутивными. Ферменты, которые синтезируются только при наличии в среде нового субстрата, называются индуцируемыми, или адаптивными. В живой клетке все процессы происходят упорядочение и строго о согласованно. Ферменты в клетке локализованы в мезосомах, цитоплазматической мембране, на всех других мембранах. Некоторые ферменты выделяются микроорганизмами в среду. Такие ферменты называют экзоферментами. Они осуществляют подгонку веществ для поступления в клетку: расщепляют крахмал, (юлки и другие вещества на более простые, способные пройти через поры клеточной стенки. Ферменты, которые не выделяются при жизни в среду, называются эндоферментами. Эндоферменты участвуют во внутриклеточных процессах обмена веществ. После гибели микробной клетки ее ферменты остаются какое-то время в активном состоянии и могут привести клетку к автолизу (от гр. autos — сам, lysis — растворение) — саморастворению,

или самоперевариванию, клетки под влиянием внутриклеточных ферментов. При разрушении клеток ферменты поступают в среду, в которой развивались микроорганизмы. При хранении пищевых продуктов с большим числом клеток микроорганизмов в условиях, исключающих развитие этих микроорганизмов, возможно снижение качества продуктов за счет ферментов автолизированных микробных клеток.

Классификация ферментов. К настоящему времени выделено и изучено около 1000 ферментов в чистом виде. Все они подразделены по правилам номенклатуры ферментов а шесть классов: 1-й класс — оксидоредуктазы, или окислительно-восстановительные ферменты, которые переносят водород или электроны и катализируют биологическое окисление, осуществляя гидрогенизацию и дегидрогенизацию;

2-й класс — трансферазы, которые переносят группы атомов с помощью специфических переносчиков, действующих как коферменты. Они играют активную роль в биохимических превращениях и могут переносить метальные, карбоксильные, аминосульфогруппы, формильные (С,) или фосфорильные группы;

3-й класс — гидролазы, которые катализируют гидролитическое расщепление и в зависимости от типа разрываемой связи называются: мальтаза (расщепляет мальтозу на две молекулы глюкозы); сахараза (расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу); лактаза (расщепляет молочный сахар на галактозу и глюкозу); амилаза (расщепляет крахмал); целлюлаза (расщепляет целлюлозу, или клетчатку, с образованием дисахарида целлобиозы, которая в дальнейшем расщепляется на две молекулы глюкозы; образуется грибами и некоторыми бактериями); пектолитические ферменты (комплекс ферментов, гидролизующих пектиновые вещества). Пектиновые вещества в виде нерастворимого протопектина находятся в растениях в качестве межклеточного вещества и входят в состав клеточных стенок. При участии пектолитических ферментов (протопектиназы, пектинэстеразы, полигалактуроназы) протопектин и растворимый пектин гидролизуются с образованием метилового спирта, галактуроновых кислот, пентоз и гексоз. Пектолитические ферменты синтезируют многие плесневые грибы и некоторые бактерии.

Развитие этих микроорганизмов в растительном пищевом сырье (плодах и овощах) приводит к мацерации (размягчению) тканей сырья; пептидазы, или протеолитические ферменты (катализируют гидролиз белков, пептидов, расщепляя пептидные связи; обладают специфичностью, разрывая пептидные связи между определенными аминокислотами); дезаминазы и амидазы (катализируют гидролитическое расщепление

аминокислот и амидов с отщеплением азота в виде аммиака); эстеразы (катализируют реакции расщепления и синтеза сложных эфиров; широко распространены у микроорганизмов; к ним относятся липазы, которые гидролизуют жир, и фосфатазы, расщепляющие эфироподобные фосфорсодержащие органические соединения с освобождением фосфорной кислоты); 4-й класс — лиазы (отщепляют группы ,СО2, Н2О, NH3 и др. от молекулы субстрата негидролитически). К этому классу относятся: альдолаза — фермент, который участвует в начальной стадии превращения сахара в процессе дыхания и брожения; декарбоксилазы (катализируют декарбоксилирование, или отщепление, СО2, органических кислот, аминокислот; в последнем случае образуются амины). Микроорганизмы, особенно гнилостные бактерии, богаты декарбоксилазами аминокислот; 5-й класс — изомеразы, которые катализируют превращения изомеров, включая рацемизацию, цис-транс-изомеризацию, перемещение двойных связей, обмен групп у асимметричного атома углерода, перемещение фосфатной группы к другому атому углерода; 6-й класс — лигазы (катализируют реакции синтеза сложных органических соединений из более простых; реакции идут с затратой энергии, получаемой из АТФ). К лигазам относятся глутаминсинтетаза и аспарагинсинтетаза. Лигазы играют большую роль в углеводном и азотном обмене микроорганизмов.

Применение ферментов. Применение в пищевой и легкой промышленности ферментов, полученных из микроорганизмов, позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повышает выход и улучшает качество готовой продукции.

Получение ферментов из микроорганизмов гораздо дешевле, чем из животного и растительного сырья, так как микроорганизмы: обладают очень богатым набором ферментов. Среди них есть даже такие, каких нет у животных и растений; быстро размножаются и в течение короткого времени дают огромную массу клеток, из которых можно выделить большое количество ферментов. Некоторые ферменты получают из культуральной жидкости (среды); выращивают на дешевых средах, являющихся, как правило, отходам и различных пищевых производств; выращивают в специальных ферментерах, в которых удобно управлять всем процессом. Продуцентами ферментов являются грибы, бактерии, дрожжи. Ферменты получают разной степени очистки. Самые чистые ферменты использvют в медицине, нативные — в кормопроизводстве.

Аминолитические грибные ферменты применяют в производстве этилового спирта из крахмалсодержащего сырья вместо зернового солода, в мюбопекарной промышленности — вместо солода при изготовлении заварного ржаного хлеба, добавляют амилазы и в пшеничное тесто. В результате ускоряется процесс изготовления теста: увеличивается объем и пористость хлеба, улучшается его внешний вид, аромат и вкус.

Применение амилаз в пивоварении позволяет частично заменить солод несоложеным (непророщенным) ячменем. Грибная глюкоамилаза дает возможность получать глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу из крахмала.

Пектолитические ферменты используют в производстве соков и виноделии.Эти ферменты разрушают пектин, что приводит к ускорению выделения сока, увеличению его выхода, улучшению фильтрации и осветлению.

Пептидные ферменты применяют для повышения стойкости (предохранения от белкового помутнения) вина и пива. Их же используют в сыроделии вместо части сычужного фермента. Можно использовать пептидные ферменты для размягчения мяса, ускорения созревания мяса и

Действие экологических факторов на микроорганизмы

Физические факторы: влажность среды, температура, лучистая энергия, радиоволны, ультразвук. Влажность среды

Вода оказывает большое влияние на развитие микроорганизмов. Микробная клетка на 70-80% состоит из воды, все питательные вещества попадают в клетку только в растворенном виде, с водой из клетки удаляются все продукты жизнедеятельности.

Потребности в воде у разных микроорганизмов изменяются в широких пределах. По потребности в воде все микроорганизмы делят на три группы:

- гидрофиты – влаголюбивые;

- мезофиты - средневлаголюбивые;

- ксерофиты – минимально потребляющие влагу.

Для любого продукта важно абсолютное содержание влаги, которое определяется его высушиванием до постоянной массы и выражается в % от общей массы. Вода может находиться в межклеточном пространстве в виде свободной (активной) воды или быть прочно связанной с белком.

Активная вода в пищевом продукте – это часть общей воды, которая не связана с растворенными веществами. Активная вода выражает то количество воды, которое может быть использовано при физических, химических и микробиологических превращениях. Она находится в связи с относительной влажностью воздуха и называется активностью воды. Рост микроорганизмов происходит при значениях активности воды от 1 до 0,16. Оптимальное значение активности воды для бактерий равно 0,98-0,99. В тех же пределах находится активность воды скоропортящихся пищевых продуктов (мяса, рыбы, плодов, овощей).

Перспективным способом продления сроков годности пищевых продуктов является создание в них такой величины активности воды, при которой микроорганизмы не развиваются. Этого можно достичь двумя путями:

1. При производстве пищевых продуктов в них добавляют вещества, которые способны связать воду продукта, не оказывая влияния на его качество.

2. Высушить (удалить воду) продукт.

Сухие фрукты содержат много разных микроорганизмов. Среди них могут быть и патогенные. В сухих продуктах так же большое количество спор бактерий и грибов. Увлажнение сухих продуктов во время хранения вызовет развитие микроорганизмов и порчу продуктов.

Для сохранности сухих продуктов большое значение имеет относительная влажность и температура воздуха. Между влажностью воздуха и влажностью продукта устанавливается подвижное равновесие. Величина относительной влажности воздуха при одном и том же содержании в нем влаги изменяется в зависимости от температуры: с понижением температуры воздуха уменьшается его влагоудерживающая способность и наоборот. Поэтому при снижении температуры во время хранения продуктов имеющееся количество водяных паров в воздухе может оказаться избыточным, т.е. выше предела его насыщения. Лишние пары будут оседать в виде капель на поверхности продукта, что приведет к развитию микроорганизмов.

При хранении и транспортировке сухих пищевых продуктов необходимо принимать меры по сохранению их влажности постоянной, чего можно достичь пакуя продукты в специальную тару.

Сублимационная сушка (высушивание продуктов в вакууме в замороженном состоянии) способствует наилучшему сохранению их качества (лучше сохраняются витамины, вкусовые качества). Однако необходимо помнить, что микроорганизмы могут переносить и такое высушивание, даже при многолетнем хранении сублимационно высушенных продуктов.