Конструктивный обмен

Конструктивный обмен веществ заключается в биосинтезе основных клеточных компонентов из поступивших в клетку веществ питательной среды. Конструктивный обмен направлен на синтез трех основных типов биополимеров - белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов - и липидов (рис.3.1).

Условно конструктивный обмен клетки можно представить в виде следующих этапов: первый - образование из простейших неорганических веществ органических предшественников (1); второй - из органических предшественников синтезируются строительные блоки (аминокислоты, простые сахара, органические кислоты, мононуклеотиды, глицерин, высшие спирты) - мономеры (П); третий - строительные блоки, связываясь друг с другом ковалентными связями, образуют биополимеры клетки (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты) и высокомолекулярные липиды (III).

Представленная схема биосинтетических процессов не отражает всей сложности превращения низкомолекулярных предшественников в строительные блоки с большой молекулярной массой. На самом деле синтез протекает как серия последовательных реакций с образованием разнообразных промежуточных продуктов метаболизма. Кроме того, уровни развития биосинтетических способностей микроорганизмов различны.

СО₂

Н₂О

О₂

Н₃РО₄

NН₃ ,NН₄⁺

-кето-

кислоты

Рибозо-5-

фосфат

Пируват

Ацетат,

малонат

Аминокислоты

Мононуклео-

тиды

Простые

сахара

Глицерин

Высшие

жирные кислоты

Белки

Нуклеиновые кислоты

Полисахариды

Липиды

1 2 3

Рис. 3.1 Обобщенная условная схема биосинтеза микроорганизмами сложных органических соединений

У одних микроорганизмов конструктивный обмен включает все показанные на схеме этапы, у других ограничен вторым и третьим, или только третьим. Именно поэтому микроорганизмы резко отличаются друг от друга по своим потребностям в формах питательных ве­ществ. Мономеры могут быть синтезированы клеткой из более про­стых соединений, либо получены в результате гидролиза высокомолекулярных соединений или должны поступать в готовом виде из питательной среды. Чем больше готовых соединений должен получать микроорга­низм из питательной среды, тем ниже уровень его биосинтетических способностей.

Обмен веществ неразрывно связан с процессом питания. Потребности микроорганизмов в питательных вещест­вах целиком определяются химическим составом их клеток.

Химический состав клеток микроорганизмов

В клетках микроорганизмов содержится 75-85% воды, остальные 15-25% составляет сухое вещество. Вода в клетке находится в свобод­ном и связанном состоянии. Связанная вода входит в состав коллоидов клетки (белки, полисахариды и др.) и с трудом высвобождается из них. Свободная вода участвует в биохимических реакциях, служит растворителем для различных соединений, образующихся в клетке в процессе обмена. Для нормальной жизнедеятельности любого живого организма в нем должно быть достаточное количество свободной влаги. Связанная вода (химически, осмотически, адсорбционно и т.д.) в реакциях обмена участвовать не может.

Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ. На долю минеральных веществ приходится 2-14% от сухого вещества клетки, остальная часть сухого вещества представлена орга­ническими соединениями, основную массу которых составляют белки (до 52%), полисахариды (до 17%), нуклеиновые кислоты (РНК до 16%, ДНК до 3%) и липиды (до 9%/). Эти соединения входят в состав раз­личных клеточных структур микроорганизмов и выполняют важные физиологические функции.

Наибольшее значение из клеточных белков имеют нуклеопротеиды - белки, связанные с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК). Они являются обязательными компонентами ядра и рибосом. Нуклеопротеиды иг­рают важную роль в процессах роста и размножения микроорганиз­мов, участвуют в передаче наследственных признаков. Все клеточные ферменты так­же являются белками.

Полисахариды в клетках микроорганизмов представлены гранулезой и гликогеном, которые являются запасными питательными ве­ществами, а также декстраном и леваном, составляющими капсулы бактерий. Некоторые полисахариды (целлюлоза и др.) входят в состав клеточной стенки.

Липиды входят, главным образом, в состав клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Они откладываются в клетках в ка­честве запасных веществ.

В клетках микроорганизмов находятся и другие вещества - орга­нические кислоты, их соли, пигменты, витамины и др.

Важнейшими химическими элементами, входящими в состав кле­ток микроорганизмов, являются С, О, Н, N, ,S , Р , К , Mg, Ca и Fe. Эти элементы играют различную физиологическую роль. Первые четыре элемента входят в состав всех без исключения живых организмов и их называют органогенами. Они составляют основу органических ве­ществ. Важную физиологическую функцию выполняют также фосфор и сера. Фосфор входит в состав ряда важных органических соединений клетки - нуклеиновых кислот, фосфолипидов, АТФ и др. Сера входит в состав серусодержащих аминокислот, без которых невозможен синтез белков. Эти шесть элементов составляют до 90-98% сухого вещества клеток, при этом на долю углерода приходится 50%. Остаток пред­ставлен другими элементами. Все они входят в состав небелковой час­ти различных ферментов, а некоторые выполняют и другие функции. Большое значение имеют калий, магний, кальций, железо, а также элементы, присутствующие в микроколичествах. Это цинк, медь, кобальт, марганец, иод, селен и др. ,так называемые следовые элементы.

Как уже отмечалось, химический состав клеток микроорганизмов определяет их по­требности в питательных веществах и дает представление о значении отдельных химических элементов и соединений в жизнедеятельности микроорганизмов.