29. Химический состав микробной клетки

Тела микроорганизмов содержат те же химические вещества, которые находятся и у высших растений и животных. Это говорит о материальном единстве и физиологическом родстве всего живого мира.

Вода составляет основную массу микробной клетки - в капсульных бактериях ее больше, в бациллах меньше. В Aerobacter aceti воды содержится 98,3 %, в кишечной палочке - 73,3, в спорах - до 50%. Количество воды в микробных клетках в среднем колеблется от 75 до 85 %/В спорах - уплотнении цитоплазмы микробной клетки - вода находится в связанном состоянии, у вегетативных форм - в свободном. Связывание воды обусловливается более высоким содержанием в спорах кальция и магния. В такой среде белки не коагулируют, что повышает их устойчивость к высоким температурам. Больше воды содержат молодые формы и меньше - зрелые. Связанная вода входит в состав молекул белков, углеводов, жиров и других соединений. Свободная вода служит средой, в которой происходит движение ионов и электрических зарядов. С участием воды осуществляются биохимические и физиологические процессы в клетке. Уменьшение ее ведет к замедлению жизнедеятельности (анабиоз), высушивание - даже к гибели вегетативных форм. Следовательно, вода - один из главных компонентов, с которым связана жизнедеятельность микробной клетки.

Сухого вещества в микробах в среднем 15-25 %, в нем содержатся органогены, входящие в состав органических веществ, и зольные элементы. Органические вещества представлены белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами. В их состав входят: углерод (45-55 %), кислород (30-40 %), азот (8-10 %), водород (6-8 %), содержание которых достигает 90-97 сухого вещества.

Белки в сухом веществе микробных тел составляют самое большое количество - 50-80%. Простые белки - протеины микробных тел близки по составу к протеинам высших организмов. При гидролизе их образуются только аминокислоты: триптофан, лизин, аргинин, тирозин, лейцин и др. Сложные белки - протеиды представляют собой соединения простых белков с небелковыми веществами: с нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды), полисахаридами (глюкопротеиды), с жирами и жироподобными веществами (липопротеиды), с железом (хромопротеиды) и др. Протеиды играют исключительно важную роль в жизнедеятельности микробов. К протеидам относятся и ферменты. Белки имеют очень большой молекулярный вес - от десятков тысяч до нескольких миллионов - и являются коллоидами. Они дают растворы - золи, которые легко переходят в состояние вязкого геля - студня. Переход золя в гель и обратно имеет большое значение в жизнедеятельности клетки. Белки наиболее легко выпадают в осадок в изоэлектрической точке, когда степень диссоциации кислых и щелочных групп одинакова.

Белки-полимеры состоят из полипептидов, а последние в свою очередь из аминокислот. Число аминокислот в молекуле низкомолекулярных белков составляет более ста, в крупных белковых молекулах может содержаться их несколько десятков тысяч. Порядок расположения аминокислот пока выяснен только у немногих белков, например: в ферменте рибонуклеазе, в белке вируса табачной мозаики. Всего в организмах имеется около 20 различных аминокислот. Но из них может возникать неисчислимо большое количество разнообразнейших белков.

Нуклеиновые кислоты составляют 5-30% сухого вещества. Они также высокомолекулярные полимеры. Наиболее крупные молекулы их можно видеть в электронный микроскоп. Длинная цепочка молекулы нуклеиновой кислоты состоит из ряда построенных одинаковым образом звеньев - нуклеотидов. Нуклеотид состоит из молекулы азотистого основания, молекулы углевода, содержащей 5 атомов углерода (пентоза) и остатка молекулы ортофосфорной кислоты.

Нуклеиновые кислоты, содержащие углевод дезоксирибозу (С5Н11О4), называются дезоксирибонуклеиновыми (ДНК), а содержащие рибозу (C5H11O5) -рибонуклеиновыми (РНК). Из азотистых оснований ДНК содержит пурины - аденин, гуанин и пиримидины - тимин и цитозин. РНК содержит те же основания только кроме тимина - урацил. В каждом нуклеотиде одно из этих оснований. В молекуле ДНК содержится 20-25 тысяч таких нуклеотидов, в РНК-5-6 тысяч. Отдельные нуклеотиды, соединенные между собой эфирными связями, образуют спирально закрученные нити. Эти спирали у РНК однонитчатые, а у ДНК двухнитчатые, в виде винтовой лестницы. В ДНК пурин - аденин одной спирали всегда соединен водородными связями с пиримидином - тимином другой спирали, а гуанин с цитозином. Такие пары нуклеотидов в той или другой ДНК находятся в определенном количестве и расположены в определенной последовательности.

Углеводы в микробной клетке представлены полисахаридами. В цитоплазме углеводы могут встречаться в виде зерен крахмала и гликогена. Они служат главным образом энергетическим материалом, их содержание в микробной клетке от 12 до 28 %. Углеводами богаты капсульные микробы: азотобактер, лейконосток, возбудитель сибирской язвы и др. В каждом из микроорганизмов имеется определенный полисахарид, что дает возможность дифференцировать их. Образующаяся на поверхности патогенных микробов капсула, состоящая из углеводов, обусловливает их вирулентность и выполняет защитную функцию.

Липоиды - жироподобные, не растворяющиеся в воде вещества. Они в сухом остатке составляют 1,7-3,7%. Особенно много их у кислотоупорных бактерий. Так, туберкулезная палочка содержит их до 40%. Липоиды содержатся в оболочке и поверхностных слоях протоплазмы. Многие липоиды обладают большой физиологической активностью, принимают участие в обмене веществ. Сюда относятся фосфолипиды, т. е. липоиды, содержащие азот и фосфор, стероиды, каковым является эргостерин, содержащийся в пивных дрожжах. Из эргостерина налажено целое производство витамина D. К липоидам относятся также каротиноиды - оранжевые пигменты розовых дрожжей, некоторых пигментированных бактерий и актиномицетов. Через липоидные оболочки проникают в клетку вещества, нерастворимые в воде.

Минеральные вещества бактерий, так называемые зольные элементы, составляют 3-10% сухого вещества. Больше всего в золе находится фосфора, около половины всей золы. Фосфор входит в состав таких физиологически активных веществ, как нуклеопротеиды, фосфолипиды и ряд коферментов (тиамин и пр.). Фосфорная кислота играет выдающуюся роль в дыхании микробов, аденозинтрифосфорная кислота является аккумулятором образовавшейся энергии. Фосфор в составе органических веществ живой клетки находится в окисленной форме (Р2О5). Источником фосфора служат соли ортофосфорной кислоты. Около четверти веса золы составляет калий. В небольших количествах содержится магний, кальций, сера и совсем малое количество натрия, хлора, кальция, железа. При ничтожном количестве в золе значение железа весьма велико: оно участвует в реакциях окисления и восстановления, входит в состав ферментов - цитохромов, оксидаз, пероксидазы. Сера - жизненно важный элемент для построения белка клетки.

Восстановленная группа SH обладает большой реактивной способностью. Источником серы являются сернокислые соли, для серобактерий - восстановленные соединения серы и сера. Калий невозможно заменить натрием и другими элементами. Значение его состоит в том, что он влияет на гидрофильность коллоидов протоплазмы, повышая их обводненность, содействуя синтетическим процессам в клетке. Магний входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий. В натуральных средах, таких, как мясной бульон, пивное сусло, молоко и др., зольных элементов содержится достаточно. Но в синтетических средах приходится следить, чтобы эти соли были в должном количестве.

Кроме этих элементов для развития микробов необходимы в самых ничтожных количествах так называемые микроэлементы - бор, молибден, цинк, кобальт, медь, йод и др., ибо они участвуют в синтезе ферментных белков.