2.1.4. Химический состав микроорганизмов

Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов, как и других живых существ, находятся в тесной зависимости от среды их оби­тания. Несмотря на микроскопический размер, микробы - живые существа, они растут, дышат, питаются, размножаются и выделяют продукты своей жизнедеятельности в окружающую среду. Все пе­речисленные процессы протекают у микроорганизмов по-своему. Знание этих процессов позволяет управлять их жизнедеятель­ностью, использовать ее в практических (полезных для человека) целях и находить средства борьбы с ними, когда это необходимо.

Конечные продукты обмена веществ микроорганизмов очень разнообразные: кислоты, спирты, углекислый газ, водород и др. Эти продукты обмена выделяются микробной клеткой во внеш­нюю среду. У микроорганизмов необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна микробная клетка потребляет пищу, масса которой в 40 раз больше массы са­мой клетки.

Из чего же состоят микробные клетки? Углерод, кислород, во­дород, азот являются основой органического вещества микроорга­низмов. Всего четыре элемента составляют в среднем 90% сухого вещества клетки. Примерно 50% составляет углерод, 30% - кис­лород и по 10% - водород и азот. На оставшиеся 10% приходится доля других элементов, называемых зольными (или минеральны­ми): в клетке преобладает фосфор, а микроэлементы: медь, цинк, марганец, молибден и другие - содержатся в ней в крайне малых количествах.

Большую часть массы живой микробной клетки составляет вода - в среднем 80 %. Все вещества поступают в микробную клетку и удаляются из нее с водой. Вода участвует во многих хи­мических реакциях, протекающих в клетке. В состав сухого веще­ства входят преимущественно органические соединения - белки, углеводы, липиды и др.

Белки являются основными компонентами клетки. Их содер­жание у разных микроорганизмов существенно отличается: в клет­ках бактерий в среднем содержится 60% белков (сухого вещества), в клетках дрожжей - 50%, грибов - 30%. Белкам принадлежит огромная роль в жизни микроорганизма. Интересно, что микроб­ные белки по аминокислотному составу сходны с белками других живых организмов. В состав клеток микроорганизмов входят ну­клеиновые кислоты (ДНК и РНК). В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация микробной клетки.

Углеводы составляют в среднем 20% сухого вещества у бакте­рий и до 50% сухого вещества у грибов и дрожжей. Они входят в состав клеточных мембран микроорганизмов, используются для синтеза различных веществ в клетке и в качестве энергетическо­го материала. Углеводы могут откладываться в клетке как запас­ные питательные вещества. В теле микроорганизмов углеводы встречаются преимущественно в виде полисахаридов - гликоге­на, гранулезы (углевод, близкий к крахмалу), декстрина, клетчат­ки и др.

Липиды составляют до 10% сухого вещества у бактерий и до 50% у некоторых дрожжей и плесеней. Липиды входят в состав цитоплазматической и других мембран и могут откладываться в виде запасных питательных веществ.

Минеральные вещества представлены в основном солями: сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами и др. Минераль­ные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточ­ного осмотического давления, коллоидного состояния цитоплаз­мы, биохимических реакций, служат стимуляторами роста клетки и активаторами ферментов.

Особые белки, являющиеся катализаторами всех биохими­ческих реакций, протекающих в клетках микроорганизмов, называются ферментами. Интересно, что каждый фермент взаи­модействует только с одним определенным веществом и катализи­рует только его превращение. Ферменты обладают очень высокой активностью. При благоприятных условиях 1 г амилазы (фермен­та, катализирующего превращение крахмала в сахарозу) может превратить в сахар 1 т крахмала. Характерной особенностью фер­ментов является субстратная специфичность - субстрат и фер­мент подходят друг к другу, как ключ к замку. Работа фермента начинается со связывания субстрата с ферментом и образования комплекса фермент - субстрат. По окончании реакции комплекс фермента с продуктами реакции (в которые превратился субстрат) распадается с высвобождением исходного фермента и конечных продуктов ферментативного процесса.

Ферменты отличаются высокой чувствительностью к действию различных факторов внешней среды (температура, кислотность или щелочность среды, присутствие химических веществ и др.). Как только действие фактора превышает возможности фермента, он перестает работать и начинает разрушаться. Потеря активно­сти фермента называется инактивацией.

У микроорганизмов существуют особые адаптивные фермен­ты. Эти ферменты позволяют клетке микроорганизма приспособиться к условиям окружающей среды. Например, микроорганизм, не использующий для питания мальтозу, можно приучить к ней, если выращивать на среде с этим углеводом. Естественно, что мальтоза должна быть единственным источником углевода, тогда микроорганизм научится ее использовать.

Все ферменты микроорганизмов делятся на две группы: экзо­ферменты и эндоферменты. Экзоферменты выделяются микро­организмами наружу (в среду). За счет экзоферментов происходит внеклеточное «переваривание» пищи - расщепление сложных веществ субстрата на простые, способные проникать в клетку. Эндоферменты - это внутриклеточные ферменты. Они участву­ют во всех внутриклеточных процессах обмена веществ и не вы­деляются при жизни клетки в окружающую среду.

Ферменты вырабатываются микробной клеткой в течение всей ее жизни. Интересно, что и после гибели клеток микроорганизмов ферменты временно остаются в активном состоянии. Известен процесс автолиза (от греч. autos - сам, lysis - разложение, рас­пад). Это саморастворение или самопереваривание микробной клетки под влиянием ее внутриклеточных ферментов. После раз­рушения клеток ферменты поступают в среду - в субстрат, где развивались микроорганизмы. Важно помнить, что качество про­дуктов может снижаться за счет действия ферментов, попавших в среду из разрушенных клеток при отсутствии живых микробов. Замена культур микроорганизмов их ферментами дает большие преимущества в промышленности. Препараты грибных амилоли­тических ферментов применяют при производстве этилового спирта из крахмалсодержащего сырья (вместо зернового солода). В хлебопекарной промышленности их используют взамен солода при изготовлении заварного ржаного хлеба. С помощью грибной глюкоамилазы получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу из крахмала. Грибные ферментные препараты применя­ют также в сокоморсовом производстве и виноделии.