Микробиология и основы биотехнологии

ложена в ее центре, или форму барабанной палочки (плектридиум), если спора находится на конце клетки. Разное положение спор представлено на рис. 2.3.

После созревания споры материнская вегетативная клетка отмирает, оболочка ее разрушается и спора высвобождается. Зрелые споры под микроскопом имеют вид плотных блестящих телец, т. к. отличаются от вегетативных клеток большим светопреломлением;

оболочки спор мало проницаемы для краски [4]. Для обнаружения спор используют специальные красители [14].

Плотная оболочка, малое содержание свободной воды, наличие дипиколиновой кислоты создают большую устойчивость спор к физи- ко-химическим воздействиям. Споры некоторых бактерий выдерживают кипячение в течение нескольких часов, устойчивы к действию химиче- ских ядов и радиации, могут сохраняться десятки и сотни лет в сухом состоянии.

Âблагоприятных условиях споры прорастают в вегетативные клетки. Вследствие поглощения воды клетки набухают, активизируются их ферменты, усиливаются биохимические процессы, приводящие к росту клеток. В результате этого происходит разрыв внешней оболочки, и проросток выходит наружу.

Скорость прорастания спор зависит от условий внешней среды,

èэтот процесс длится несколько часов. Аэробные и факультативно-ана- эробные спорообразующие бактерии называют бациллами, анаэробные — клостридиями. Спорообразующие бактерии могут терять способность к спорообразованию и переходить в аспорогенные формы.

2.2.Строение и функции ДНК и РНК

Âбактериальной эукариотной клетке в ядре находятся важнейшие структуры — нити хроматина, в которых заключена ДНК, представляющая собой макромолекулу. При гидролизе ДНК распадается на дезоксирибозу, фосфорную кислоту и пуриновые или пиримидиновые основа-

41

ния. К пуриновым основаниям относятся гуанин (Г) и аденин (А), к пиримидиновым — цитозин (Ц) и тимин (Т). Как показали исследования,

âмолекуле ДНК в равных количествах присутствуют, с одной стороны, аденин и тимин, с другой — гуанин и цитозин, т. е. сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых. ДНК — единственная структура

âклетке, содержащая тимин. В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик на основании обобщения исследований молекулы ДНК методом электронной микроскопии определили ее структуру. Согласно разработанной ими трехмерной модели структуры ДНК, молекула представляет собой две правозакрученные вокруг общей оси спиральные полинуклеотидные цепи. При этом фосфатные группы находятся на внешней стороне спирали, а азотистые основания за счет водородных связей образуют внутри цепи комплементарные пары: А–Т, Г–Ц. Молекулярный вес ДНК составляет 4–16 млн. Отношение гуанина и цитозина к аденину и тимину варьируется в широких пределах у разных видов, но остается постоянным для данного вида.

Âсостав РНК входит сахар — рибоза и основания — аденин, гуанин, цитозин и урацил. Молекулярный вес макромолекулы составляет от 1,5 до 1 млн.

Âядре содержится высокомолекулярная РНК, в микросомах, пластидах (рибосомы) — низкомолекулярная. РНК отличается от ДНК по структуре: она состоит из одной цепи [15].

Макромолекулы ДНК и РНК выполняют в клетке важные функции. В ДНК заключена вся генетическая информация клетки. Она направляет синтез РНК. Высокомолекулярная ядерная РНК играет роль посредника

âпередаче генетической информации от ДНК цитоплазме. Синтез белка регулируется ДНК и РНК. РНК, в свою очередь, обеспечивает расположение аминокислот в молекулах белка. Транспортная РНК транспортирует аминокислоты, а матричная РНК распределяет их в определенном порядке на матрице.

Âпрокариотной клетке морфологически оформленное ядро отсутствует. Ядерное вещество не отделено от цитоплазмы мембраной. Форма ядроподобных структур непостоянна. В ядерном веществе содержится ДНК, которая сосредоточена в дискретных телах. Область ядра заполнена тонкими нитями и заключена в замкнутое кольцо. Строение ДНК

и РНК такое же, как и в эукариотной клетке. ДНК и РНК выполняют в прокариотной клетке те же функции, что и в эукариотной клетке [14].

42

2.3. Органеллы клетки

Важнейшая роль в обмене веществ в клетке принадлежит цитоплазматической мембране (ЦПМ), являющейся осмотическим барьером. Она контролирует поступление различных веществ в клетку и выход их из клетки. В мембране локализуются системы активного переноса и системы субстратспецифических пермеаз. Цитоплазматическая мембрана (плазмолемма) отделяет цитоплазму от клеточной стенки и состоит из двух слоев. Один слой находится у наружной клеточной стенки, другой составляет внутреннюю мембрану, переходящую в систему мембран, проникающих в толщу цитоплазмы,— эндоплазматическую сеть, состоящую из пузырьков и цистерн с гладкой или шероховатой поверхностью, которая усеяна рибосомами. Гладкая мембрана — это аппарат Гольджи, она служит продолжением эндоплазматической цепи и представляет собой скопление цистерн.

Âцитоплазме содержатся различные включения (вакуоли, гранулы)

èядро. В результате электронно-микроскопических и биохимических исследований удалось установить, что цитоплазма не является гомогенным белковым раствором, а пронизана многочисленными мембранами и содержит различные мембранные структуры; остальное пространство заполнено основным веществом, или матриксом, и рибосомами. При длительном центрифугировании цитоплазма разделяется на «растворимую» фракцию, содержащую растворимые ферменты и растворимые рибонуклеиновые кислоты (РНК), и на фракцию частиц, которая помимо мембран содержит рибосомы. Растворимые ферменты катализируют многочисленные реакции деструкции и синтеза различных веществ. Вместе с растворимыми рибонуклеиновыми кислотами (матричная и транспортная РНК)

èрибосомами эти ферменты участвуют в синтезе белка.

К органеллам цитоплазмы относятся пластиды: хлоропласты, митохондрии, мезосомы, рибосомы, лизосомы, центросомы; включения: сера, волютин, жир, вакуоли, полифосфаты.

Хлоропласты. Имеются у микроорганизмов, содержащих в клетках хлорофилл. Функция хлорофилла — трансформировать лучистую энергию в энергию химических связей органических веществ. Хлорофилл имеет че- чевидную форму. Его строма (основное тело) состоит из наружной мембраны и внутренних параллельных мембран, несущих фотосинтетические активные пигменты. Эти пластиды богаты липидами и содержат РНК.

Митохондрии. Каждая митохондрия образована двумя мембранами: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана образует складки (кристы), что увеличивает ее поверхность. Митохондрии напоминают напол-

43

ненный жидкостью сосуд с заходящими внутрь складками. Каждая мембрана состоит из ряда молекул белка, за которым располагается двойной слой липидных молекул. Митохондрии участвуют в процессах дыхания и продуцирования энергии. Как и хлоропласты, их называют «силовыми станциями» жизни на планете. В них содержатся ферменты цикла Кребса, дыхательной цепи, окислительного фосфорилирования. Сходство между хлоропластами и митохондриями состоит в том, что первые запасают солнечную энергию в фосфатных связях АТФ, а вторые превращают энергию, заключенную в питательных веществах, в энергию АТФ [15].

Мезосомы. У многих бактерий обнаружены особые мембранные структуры — мезосомы. Они образуются из впячиваний цитоплазмати- ческой мембраны. В месте впячивания возникает трубочка, на которой появляются перетяжки, разделяющие ее на ряд пузырьков. Однако полного отделения пузырьков не происходит. При разрушении и гомогенизации клеток эти пузырьки обособляются. Мембраны пузырьков по виду построены так же, как и цитоплазматическая мембрана, и имеют сходный с ней состав. В них локализуются поглощающие свет пигменты (бактериохлорофилл, каратиноиды), компоненты фотосинтетической системы переноса электронов (цитохромы, убихиноны) и компоненты фосфорилирования.

Рибосомы. Молекулярный вес рибосом составляет примерно 3 млн, у дрожжей — 4 млн. Рибосомы бактерий содержат 60 % РНК, дрожжи — 40 % РНК, остальное содержимое — это белок, богатый основными аминокислотами. РНК участвует в синтезе белка. Транспортная РНК переносит аминокислоты на матрицу; при этом одна часть ее способна «узнавать» нужную аминокислоту, другая ее часть направляет эту кислоту в соответствующее место на матрице. Матричная РНК, содержащаяся в рибосоме, определяет последовательность расположения аминокислот в молекуле белка.

Лизосомы — тельца, содержащие переваривающие ферменты. Лизосома окружена двойной мембраной, которая изолирует ферменты от остальной цитоплазмы. При разрыве мембраны происходит лизис (растворение) клетки под действием ферментов.

Центросомы. Эти тельца обнаруживаются только при делении клетки, их функция заключается в образовании полос веретена в процессе митоза.

В основании ресничек или жгутиков всех эукариотных клеток располагается кинесома, покрытая снаружи цитоплазматической мембраной. В наружном слое жгутик укреплен при помощи базального тельца, или блефаропласта.

44

2.4.Клеточная стенка (оболочка)

Óэукариот и прокариот оболочка упругая и эластичная. Она обусловливает постоянство формы клетки, защищает ее от неблагоприятных внешних воздействий, участвует в обмене веществ, является проницаемой для воды и низкомолекулярных веществ.

Клеточная стенка имеет слоистое строение. Химический состав ее сложный и неодинаковый у различных видов бактерий. Опорным каркасом оболочки является сложный полисахарид — пептид муреин. Оболоч- ка содержит мукопептиды, аминокислоты, диаминопимелиновую кислоту (только у бактерий). Различие в химическом составе сказывается на ее способности окрашиваться по Граму. Грамположительные бактерии содержат больше полисахарида муреина и тейхоевых кислот. Оболочка грамотрицательных бактерий имеет многослойную структуру, характеризуется высоким содержанием липидов в виде липопротеидов и липополисахаридов. У некоторых бактерий оболочка может ослизняться. Слой слизи может достигать значительной толщины, образуя капсулу, размер которой может превышать величину бактериальной клетки. При этом капсулы отдельных клеток могут сливаться, образуя слизистые массы с вкраплениями бактериальных клеток — зооглею. Химический состав слизи, в зависимости от состава среды, может быть одинаковым у различных бактерий, а может быть различным. В составе слизи обнаружены полисахариды (декстраны, глюканы, леваны), азотистые вещества типа полипептидов, протеин. Слизеобразование у бактерий зависит от условий внешней среды (культивирование при низких температурах) и вызывает порчу продуктов: мяса, творога, колбасы, молока, пива, вина и др.

2.5.Химический состав микробных клеток

Химический состав микроорганизмов сходен с химическим составом тела животных и растений [8]. Важнейшими химическими элементами, входящими в состав клеток микроорганизмов, являются: углерод, кислород, водород, àçîò, сера, фосфор, калий, магний, кальций и железо. Первые четыре из указанных элементов составляют основу органиче- ских веществ, поэтому и называются органогенными элементами. Содержание их составляет 90–97 % (в пересчете на сухое вещество 15–25 %). Остальные элементы называются зольными èëè минеральными; на их долю приходится 3–10 %, из которых большую часть составля-

45

ет фосфор, входящий в состав многих веществ цитоплазмы, участвующих в метаболизме, росте и развитии микроорганизмов. Значительная часть зольных элементов в живой клетке химически связана с органиче- скими веществами и входит в их состав. Органические соединения представлены в основном белками, углеводами, липидами.

Белковые вещества, содержание которых у бактерий достигает 40–80 %, у дрожжей — 40–60 %; у грибов — 15–40 %, являются основными органическими соединениями клетки. Различное сочетание аминокислот создает огромное количество белков, что обусловливает разнообразие организмов.

Âсостав клеток микроорганизмов входят простые белки (протеины)

èсложные (протеиды), среди последних по количеству и значению первое место занимают нуклеопротеиды, в состав которых, кроме аминокислот, входят нуклеиновые кислоты. Белки, обладающие способностью катализировать различные биохимические реакции, называются ферментами èëè энзимами.

Углеводы необходимы микроорганизмам для синтеза белков и жиров, построения клеточных оболочек и капсул, а также в качестве энергетического материала в дыхательных процессах и могут откладываться в клетках, как и белки, в виде запасных питательных веществ. Содержание углеводов у большинства бактерий — 10–30 % от сухой массы, у грибов — 40–60 %. Углеводы микроорганизмов представлены пентозами, гексозами и полисахаридами (гликоген, гранулеза, декстрин, клет- чатка или близкие к ней соединения). Полисахариды находятся в связанном состоянии с белками и липидами.

Липиды (жиры и жироподобные вещества) содержатся в микроорганизмах в незначительных количествах, содержание их не превышает 3–5 % от сухой массы и только в редких случаях достигает значительных количеств (до 40 % у некоторых дрожжей и грибов). В клетках микроорганизмов жировые вещества находятся как в свободном (в качестве запасных веществ), так и в связанном состоянии, в комплексе с белками

èуглеводами. Больше всего липидов сосредоточено в цитоплазматиче- ской мембране клеток.

Пигменты (красящие вещества) входят в состав некоторых бактерий, дрожжей и грибов, содержатся главным образом в клеточном соке

èобусловливают окраску этих микроорганизмов. Пигменты могут выделяться из клеток в среду. У некоторых бактерий они выполняют функ-

46

цию хлорофилла зеленых растений, участвуя в ассимиляции углекислого газа. Некоторые пигменты играют важную роль в процессах дыхания

èобладают антибиотической активностью. Дрожжи, образующие значи- тельные количества каротиноидных пигментов, используются для полу- чения белково-витаминных кормовых продуктов.

Âмикроорганизмах содержатся и другие органические вещества: кислоты и их соли, спирты, витамины.

Минеральные вещества. В клетках микроорганизмов присутствуют различные минеральные вещества: сульфаты, карбонаты, фосфаты, хлориды. Свободные и входящие в состав органических веществ (нуклеиновых кислот, АДФ и АТФ) фосфаты являются соединениями, аккумулирующими энергию. Минеральные вещества играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы, влияют на скорость и направление многих биохимических реакций, протекающих в клетке, а также являются стимуляторами роста и активаторами ферментов.

Âîäà составляет 75–90 % массы микроорганизмов. Поступление вещества в клетку и удаление из нее продуктов обмена происходит только с водой. В клетке вода находится в свободном состоянии и служит дисперсионной средой для коллоидов и растворителем различных органиче- ских и минеральных соединений, образующихся в клетке при обмене веществ, участвует во многих химических реакциях. Часть воды в клетке в связанном (с белками, углеводами и другими веществами) состоянии входит в клеточные структуры.

Потеря свободной воды вызывает высыхание клетки и глубокие изменения обмена веществ. С потерей связанной воды происходят нарушения клеточной структуры, что приводит к гибели клетки.

Микроэлементы содержатся в клетках в крайне малых количествах

èвыполняют важную роль в процессах жизнедеятельности микроорганизмов. К ним относят медь, цинк, марганец, молибден и др.

Вопросы для самоконтроля

1.Что является предметом изучения морфологии микроорганизмов?

2.Какие размеры имеют клетки микроорганизмов?

3.Перечислите виды жгутикования у бактерий.

47

Глава 3 ПОСТУПЛЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

ÂКЛЕТКУ

3.1.Пассивный перенос веществ в клетку

Клеточная стенка не является существенным препятствием для небольших молекул и оснований, но задерживает макромолекулы. Роль истинного пограничного слоя клетки, ответственного за поступление в клетку питательных веществ, играет цитоплазматическая мембрана, структура и химический состав которой обусловливают ее избирательность.

Если силы, обеспечивающие прохождение веществ сквозь мембрану, локализованы в среде, окружающей клетку, говорят о пассивном переносе веществ. Если в процессе метаболизма на перенос веществ затрачивается энергия, выработанная самой клеткой, то говорят об активном переносе.

Многие клетки поглощают необходимые им вещества путем заглатывания. Этот процесс известен под названием фагоцитоза èëè пиноцитоза (ãðå÷. phagos — пожиратель, pino — ïèòü, kytos — клетка). При таком способе поглощения клеточная мембрана образует карманы или впячивания, которые втягивают вещества извне внутрь клетки; затем эти впячивания отшнуровываются и окруженная мембраной капелька внешней среды

âвиде пузырька, или вакуоли, пускается плавать по цитоплазме. Вещество, попавшее в клетку в результате пиноцитоза или фагоцитоза, все еще находится вне цитоплазмы клетки, так как окружено захватившей его мембраной. Для того чтобы действительно войти в клетку и превратиться

âдоступный метаболитическим процессам компонент цитоплазмы, вещества должны тем или иным способом проникнуть сквозь мембрану.

Еще ни разу не удалось наблюдать исчезновение мембраны, образующей стенку вакуоли, что доказывает проницаемость мембраны. Низкомолекулярные вещества (глюкоза, некоторые аминокислоты) могут проникать из вакуоли в цитоплазму.

Âпассивном переносе веществ через цитоплазматическую мембрану (рис. 3.1) участвуют различные силы [15].

49

Градиент концентрации

Градиент концентрации возникает благодаря беспорядочному движению частиц, стремящихся равномерно распределиться в пространстве. Если два раствора одинакового состава, но разной концентрации приходят в соприкосновение, то начинается диффузия растворенного вещества из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации. Процесс продолжается до тех пор, пока концентрации не станут одинаковыми. Это происходит, если мембрана проницаема для растворенного вещества. Если мембрана проницаема для растворителя, но непроницаема для растворенного вещества, то градиент концентрации образуется в результате осмоса: в этом случае растворитель проходит сквозь мембрану, направляясь из области низкой концентрации растворенного вещества в область более высокой его концентрации.

Íà ðèñ. 3.1, à показано, что вода поступает внутрь клетки, когда концентрация растворенного вещества в ней выше, чем в окружающей среде. Отток воды из клетки происходит из-за высокой концентрации вещества в окружающей среде (рис. 3.1, á).

Градиент потенциала

Если молекулы растворенных веществ диссоциированы на ионы, несущие определенный электрический заряд, то в проницаемости участвуют новые силы. Мембраны клеток обладают способностью сохранять известную разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями. Вследствие этого возникает определенный градиент потенциала, который наряду с градиентом концентраций служит движущей силой при пассивном переносе веществ через клеточную мембрану (рис. 3.1, ã).

Перенос растворенных веществ вместе с растворителем

Третья сила, участвующая в пассивном переносе через мембрану,— перенос растворенных веществ вместе с растворителем, т. е. втягивание их с растворителем (рис. 3.1, â).

Механизм вступает в действие, если раствор может протекать сквозь пористую мембрану. При этом движение частиц растворенного вещества, диффундирующих в направлении потока, ускоряется, а диффузия частиц в противоположном направлении замедляется. Этот эффект в некоторых случаях имеет большое значение, но не является определяющим.

Все три силы, участвующие в пассивном переносе, могут действовать порознь или совместно. Однако независимо от того, какая именно

50