Веществах. типы питания. химический состав клеток микроорганизмов

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТОК МИКРООРГАНИЗМОВ

По составу веществ клетки микроорганизмов мало чем отличаются от животных и растений. В их клетках содержится 75—85% воды, остальные 15—25% составляют 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 химических реакциях, служит растворителем для различных соединений, образующихся в клетке в процессе обмена веществ.

Сухое вещество клетки состоит из органических и мине­ральных веществ. Если содержание сухого вещества принять за 100%, то на долю минеральных веществ приходится 2-14%, 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.

Белки микроорганизмов состоят из тех же аминокислот, что и белки животных и растений. Наибольшее значение из них 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. Ферменты также являются белками.

Полисахариды в клетках микроорганизмов представ­лены гликогеном, гранулезой, которые являются запасными питательными веществами, а также декстраном и леваном, образующими 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.

Элементарный состав клеток микроорганизмов довольно разнообразен. Он представлен ниже (в % сухого вещества).

Углерод 50 Натрий 1

Кислород 20 Кальций 0,5

Азот 14 Магний 0,5

Водород 8 Хлор 0,5

Фосфор 3 . Железо 0,2

Сера 1 Все остальные элементы 0,3

Калий 1

Эти элементы играют различную физиологическую роль. Углерод, кислород, азот и водород входят в состав всех без исключения живых организмов и их называют органогенами. Это главные химические элементы, которые составляют основу органических веществ; водород и кислород входят в состав воды; кислород необходим для дыханния аэробным микроорганизмам. Важную физиологическую функцию выполняют также фосфор и сера. Фосфор входит в состав ряда важных органических соединений клетки— нуклеиновых кислот, фосфолипи-дов, АТФ и др. Без этого элемента развитие микроорганизмов невозможно. Сера необходима для синтеза серусодержащих аминокислот (цистина, цистеина, гмоцистеина, метионина), 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. Важное значение имеют калий, магний, кальций, железо.

Химический состав клеток микроорганизмов определяет их потребности в питательных веществах и дает представление о значении отдельных химических элементов и соединений для их жизнедеятельности.

ПОТРЕБНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПИТАТЕЛЬНЫХ

ВЕЩЕСТВАХ. ТИПЫ ПИТАНИЯ

Обмен веществ неразрывно связан с процессом питания микроорганизмов. Разнообразные вещества, в которых нуждается микроорганизм и которые он потребляет из внешней среды для биосинтеза основных органических веществ клетки, роста, размножения и получения энергии, называются питательными, а среда, содержащая их, — питательной средой.

Потребности микроорганизмов в питательных веществах чрезвычайно разнообразны, но независимо от их потребностей в питательной среде должны содержаться все элементы, которые имеются в клетках микроорганизмов. В соответствии с тем, какие именно элементы включаются в состав питательной сре­ды, их называют источниками углерода, азота, серы и т. д. Источником водорода и кислорода для всех микроорганизмов является вода. Источниками всех остальных элементов, кроме углерода и азота, являются минеральные соли. Например, источником калия и фосфора может служить К₂НРО₄, источником магния и серы — МgP0₄, источником железа — FеС1₃ и т. д. Источниками углерода и азота могут быть как минеральные, так и органические вещества.

По отношению к источникам углерода все микроорганизмы делятся на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы. Соответственно и тип питания этих микроорганизмов называется либо автотрофным, либо гетеротрофным.

Микроорганизмы, которые способны использовать для биосинтеза веществ клетки неорганический источник углерода (С0₂), называются автотрофами.Микроорганизмы, которые не могут использовать С0₂ в качестве единственного источника углерода, а нуждаются в органических соединениях, называются гетеротрофами; К гетеротрофам относится большинство микроорганизмов. Понятия автотрофия и гетеротрофия характеризуют тип конструктивного обмена.

Многие гетеротрофные микроорганизмы для биосинтеза веществ клетки в качестве источника углерода используют в основном углеводы, а также спирты, липиды, белки, углеродной скелет аминокислот и гораздо реже органические кислоты.

Кроме углерода важнейшим элементом для биосинтеза белковых веществ клетки является азот. Автотрофы используют азот из минеральных соединений, наилучшими из которых являются аммонийные соли. Гетеротрофы могут использовать самые различные соединения. Для многих из них наилучшими источниками азота являются аммонийные соли, особенно органических кислот, и нитраты. Существуют гетеротрофные микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот воздуха (N2) и строить из него необходимые азотсодержащие компоненты клетки. Другие гетеротрофные микроорганизмы используют в качестве источника азота органические вещества (аминокислоты и более сложные продукты распада белка — пептоны). Такие соединения могут служить одновременно источниками углерода, азота, серы, а также энергии. Белки являются высокомолекулярными соединениями и не проникают в микробную клетку, поэтому утилизировать (использовать) белки могут только те микроорганизмы, которые выделяют в среду протеолитические ферменты, расщепляющие белки до аминокислот, которые затем непосредственно потребляются клеткой.

'Кроме основных питательных веществ многим гетеротрофным микроорганизмам необходимо наличие в среде в готовом виде так называемых факторов роста(витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания), которые они сами не синтезируют. Факторы роста нельзя рассматривать как стимуляторы роста микроорганизмов. Они необходимы микроорганизмам в очень малых дозах и используются для биосинтеза различных компонентов клетки. Витамины нужны для синтеза различных ферментов, аминокислоты — для синтеза белков, пуриновые и пиримидиновые основания — для синтеза ДНК и РНК.

Подразделение микроорганизмов по типам питания на автотрофов и гетеротрофов довольно условно, так как между ними имеется ряд переходных групп. К автотрофам относится сравнительно небольшая группа микроорганизмов, играющих важную роль в круговороте веществ в природе. Для пищевой промышленности они значения не имеют.

Большинство микроорганизмов относится к гетеротрофам, среди которых имеются микроорганизмы, резко различающиеся по потребностям в питательных веществах. В связи с этим гетеротрофы подразделяются на две группы: сапрофиты и паразиты.

Сапрофиты питаются за счет органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождения. Одни из них разлагают остатки отмерших животных и растений и имеют колоссальное значение в круговороте веществ в природе. Другие вызывают порчу пищевых продуктов или используются в пищевой промышленности в процессах переработки растительного и животного сырья. Большинство гетеротрофов относится к сапрофитам (гнилостные и бактерии — возбудители процессов брожения, актиномицеты, мицелиальные грибы, дрожжи).

Паразиты питаются за счет органических веществ живых организмов. Паразитами являются все болезнетворные микроорганизмы, включая вирусы, вызывающие заболевания человека, животных, растений, и фаги.