ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ - СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ - КЛЕТКА

ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Химический состав микробной клетки. Химический состав бактериальной клетки в качественном отношении практически не отличается от животных и растительных клеток высших организмов. В состав бактерий входят в основном те же органические и минеральные вещества. Различия выявляются в количественном содержании тех или иных соединений. Кроме того, автономность существования микробной клетки накладывает определенный отпечаток на химический состав клетки, что выражается, в первую очередь, в широком наборе ферментов у бактерий.

Вода составляет основную часть тела бактериальной клетки - на нее приходится от 75 до 90% массы клетки. Содержание воды в микробной клетке может меняться в зависимости от вида микроба, возраста культуры, состава питательной среды. В спорах содержание воды снижается до 40%.

Сухой остаток составляет от 10 до 25% массы бактериальной клетки. Основная часть его (около 95%) представлена макромолекулярными соединениями. В состав сухого остатка входят также низкомолекулярные органические соединения и неорганические вещества, чаще в виде солей. Основной материал сухого остатка составляют азот, кислород, углерод и водород. Содержание этих элементов может колебаться довольно значительно. Так, содержание углерода у микробов составляет 40 - 55% сухого вещества, кислорода - 30 - 40%, азота - 6 - 15%, водорода - 6 - 8%. Однако у разных представителей микроорганизмов эти соотношения могут варьировать.

Неорганические вещества могут составлять от 2 до 30% сухого остатка бактерий, причем в молодых клетках их обычно содержится больше, чем в старых, примерно в 6-7 раз. Бактерии особенно богаты фосфором, который входит в состав нуклеиновых кислот, липидов. В среднем содержание фосфора находится в пределах 3% сухого вещества клетки. Бактерии содержат в сухом остатке около 1% калия, натрия, серы. Калий и натрий являются важнейшими клеточными катионами. Сера входит в состав многих белков. Кальций, магний, хлор составляют около 0,5% сухого вещества, железо - около 0,2%. Кальций и магний являются важными катионами. У грамположительных бактерий отмечается повышенное содержание ионов магния, который связан с РНК. Хлор является анионом, железо входит в состав некоторых белков. Некоторая часть минеральных веществ находится в клетке в следовых количествах (в сумме около 3% сухого остатка) - их объединяют общим термином «микроэлементы». Сюда относятся цинк, марганец, кобальт, молибден, медь, вольфрам и другие. Эти элементы входят в состав ферментов, витаминов. Некоторые катионы и анионы являются активаторами ферментов.

Органические вещества в микробных клетках содержатся, главным образом, в виде сложных высокомолекулярных соединений, на долю которых приходится 97 - 98% сухих веществ. Остальная часть сухого вещества бактерий представлена низкомолекулярными веществами и минеральными солями.

Белки. Содержание белков у бактерий колеблется в пределах 40 - 80% сухой массы клетки. По химическому составу белки бактерий мало отличаются от белков растений и животных. Белки бактерий представлены, главным образом, сложными комплексами с другими соединениями, т. е. являются протеидами. Часть протеидов микробной клетки составляют нуклеопротеиды - комплексы белков с нуклеиновыми кислотами. Большинство из них приходится на рибонуклеопротеиды (РНП), меньшая часть - дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП). Липопротеиды (комплексы белков с липидами) входят в состав клеточных стенок, цитоплазматической мембраны, находятся в виде включений.

Белки играют, в первую очередь, структурную роль, входя в состав практически всех структурных компонентов клетки. Ряд белков бактерий выполняют регуляторные функции - белки-репрессоры. Многие бактерии продуцируют токсические продукты, по своей природе являющиеся белками. Наконец, к белкам относятся ферменты, играющие исключительно важную роль в жизнедеятельности микробной клетки.

Ферменты микроорганизмов по своей структуре, свойствам, функциям не отличаются от ферментов других организмов. Одной из главных особенностей этих ферментов является то, что в зависимости от условий появления в клетке они подразделяются на две группы. Конститутивные ферменты постоянно присутствуют в клетке, их синтез происходит с постоянной скоростью. Такие ферменты составляют меньшую часть ферментов микроорганизмов. Большинство ферментов микробной клетки относится к индуцибельным, или адаптивным. Эти ферменты синтезируются в клетке под воздействием каких-либо веществ (индукторов), чаще всего субстратов данного фермента. При отсутствии этих веществ гены, контролирующие синтез фермента, находятся в репрессированном состоянии, а фермент содержится лишь в следовых количествах.

Нуклеиновые кислоты. Содержание нуклеиновых кислот в микробных клетках может колебаться от 3 до 30% сухого вещества, причем на ДНК приходится 3 - 5%, на РНК - 7 - 10%. Количество нуклеиновых кислот широко меняется в зависимости от стадии развития клетки. В период, предшествующий делению клетки, количество ДНК резко возрастает. ДНК входит в состав нуклеоидов бактериальной клетки. Она образует единую гигантскую двухнитчатую молекулу общей длиной до 3 мм с молекулярной массой свыше 109 Да. Кроме того, у бактерий ДНК часто встречается в виде цитоплазматических наследственных элементов (плазмид) различной величины. РНК находится в рибосомах, присутствует в цитоплазме клетки.

ДНК бактерий характеризуется видовой специфичностью. Представители одного вида и близких видов одного и того же рода имеют близкие показатели содержания гуанина и цитозина. На определении молярного содержания процента гуанина и цитозина основана геносистематика бактерий.

Липиды. Содержание липидов в микробных клетках может колебаться от 1 до 30%. У микробов содержатся различные жирные кислоты - насыщенные (пальмитиновая, стеариновая, капроновая), ненасыщенные (линолевая, дифтериновая). Некоторые бактерии содержат измененные жирные кислоты, присущие только бактериям, - миколовая, лактобациллиновая.

Сложные липиды имеют в своем составе другие группы, например остатки фосфорной кислоты, сульфаты, азотистые основания. Они могут содержать белки (липопротеиды), полисахариды (липополисахариды).

Обычно больше липидов содержится в молодых культурах. Они входят в состав мембран и клеточные стенки микробных клеток.

Липиды выполняют у микроорганизмов различные функции. Они играют роль запасных питательных веществ, участвуют в энергетическом обмене, входят в состав мембран и антигенов клетки, участвуют в обеспечении их проницаемости.

Углеводы. Микробные клетки могут содержать до 20 - 30% углеводов в сухом остатке. Углеводы микроорганизмов представлены моносахаридами и полисахаридами. Моносахариды микробов относятся в основном к триозам, тетрозам, пентозам, гексозам и гептозам. Существенную роль у микробов играют дисахариды (мальтоза, сахароза, лактоза). Полисахариды микроорганизмов состоят из многих моносахаридов, связанных в высокомолекулярные соединения, имеющие молекулярную массу от 10 тыс. до 4 млн Да. Полисахариды, как и липиды, играют у микробов роль запасных питательных веществ, входя в состав включений гликогена, крахмала; они также участвуют в энергетическом обмене микробной клетки.

Метаболические процессы в микробной клетке. Основные различия в строении эукариотической и прокариотической клетки существенно влияют на локализацию метаболических процессов в них при незыблемости принципа единства строения, функции и состава, основанного на положениях клеточной теории Т. Шванна (табл. 11).

Таблица 11

Локализация функций в эукариотической и прокариотической клетке

Структура (органелла)	Прокариотическая клетка	Эукариотическая клетка
Клеточная стенк.	Встраивание готовых компонентов клеточной стенки в пептидогликановый скелет, образование пептидных связей, формирование муреин.	Связь с соседними клетками, транспорт жидкости (растения.
Плазматическа. мембран.	Обмен веществ (транспортные системы), рецепция, межклеточное узнавание. Система переноса электронов и окислительного фосфорилирования (АТР-синтетаза). Синтез липидов. Образование клеточной стенки (связывание пентапептида му- рамовой кислоты с N-ацетилглюкозамином и присоединение пяти остатков глицина, перенос компонента клеточной стенки.	Обмен веществ (транспортные системы), рецепция, межклеточное узнавани.
Цитозол.	Гликолиз. Большинство реакций промежуточного обмен.	Гликолиз. Глюконеогенез. Биосинтез жирных кислот, сахаров, нуклеотидов, аминокислот. Активация аминокислот. Фосфо- глюконатный путь. Большинство реакций промежуточного обмен.
Митохондрии Наружная мембран.	.	Транспортные системы. Превращение липидов в промежуточные продукты обмена, участвующие в дальнейших реакциях в матрикс.
		Использование АТР для фосфорилирования нуклеотидо.
Межмембранно. пространств. Внутрення. мембран. Матрик.	.	Цепь переноса электронов (дыхательная цепь.
		АТР-синтетаза (сферические частицы), транспортные белк.
		Цикл Кребса. Окисление пировиноградной кислоты и жирных кислот. Митохондриальная ДНК, рибосомы, РНК. Экспрессия митохондиального геном.
Ядр.	Нуклеоид, репликация ДНК, транскрипци.	Репликация ДНК. Транскрипция, синтез некоторых ядерных белко.
Ядрышк.	.	Синтез рибосомных РН.
Рибосом.	Синтез белк.	Синтез белк.
Эндоплазма. тическа. сет.	.	Синтез липидов и стероидов, липидных и белковых компонентов клеточных органелл. Биосинтез липидов и гликолизиро- вание белков (в том числе олигосахарида, связанного с аспарагином), перенос вещест.
Комплекс Гольдж.	.	Модификация, сортировка, упаковка, транспорт, избирательный экспорт; круговорот мембран, образование лизосо.
Лизосом.	.	Внутриклеточное расщепление макромолеку.
Пероксисом.	.	Окислительные реакции с участием молекулярного кислород.

.

Для осуществления метаболизма микробная клетка нуждается прежде всего в питательных веществах. Ими являются соединения, которые поглощаются микроорганизмами из окружающей среды для удовлетворения своих потребностей в исходных материалах для биосинтеза (синтеза макромолекул из более простых соединений) и получения энергии.

По своему назначению питательные вещества можно разделить на две группы. Первую составляют соединения, используемые для синтеза различных компонентов клетки, в основном цитоплазмы. Это пластический, или строительный, материал. Сюда, в первую очередь, относятся аминокислоты. Вторая группа представлена веществами, служащими источником энергии для клетки. При их окислении или расщеплении микробами выделяется энергия, необходимая клетке для роста и размножения. Типичным представителем этой группы веществ является глюкоза. Как известно, основным источником энергии на Земле является Солнце. Однако солнечную энергию способны использовать непосредственно лишь немногие микроорганизмы. Их называют фототрофами. К ним относятся цианобактерии, фотосинтезирующие бактерии.

Большинство микроорганизмов, использующих энергию, заключенную в различных химических соединениях, являются хемотрофами. Они, в свою очередь, подразделяются на две группы: если используются неорганические соединения, то микроорганизмы относятся к хемолитотрофам, если органические - то к хемоорганотрофам.

Количество неорганических веществ, окисляемых хемолитотрофными микробами, невелико. Это сероводород, водород, тиосульфат, нитриты и некоторые другие. Наоборот, источники энергии, используемые хемоорганотрофами, более многочисленны (табл. 12).

.

Таблица 1.

.

Классификация организмов по источникам энергии и восстанавливающих эквивалентов

Тип	Источник энергии	Окисляемое соединение - поставщик восстанавливающих эквивалентов	Организм
Фотолитотроф.	Све.	Неорганические соединения (Н20, H2S, S и др..	Зеленые клетки высших растений, фотосинтезирующие бактери.
Фотоорганотроф.	Све.	Органически. соединени.	Несерные пурпурные бактери.
Хемолитотроф.	Реакции окисления-восстановлени.	Неорганические соединения (Н2, H2S, NH3, Fe*+.	Водородные, серные, денитрифицирующие, железобактери.
Хемоорганотроф.	Реакции окисления-восстановлени.	Органически. соединени.	Животные, большинство микроорганизмов, нефотосинтезирующие клетки растений, гриб.

.

Автотрофы, для которых единственным источником углерода является углекислота. Энергию для этого процесса потребления углерода микробы получают за счет окисления неорганических соединений - это хемосинтезирующие автотрофы. Например, у нитрифицирующих бактерий реакция идет следующим образом.

Фотосинтезирующие автотрофы используют солнечную энергию. Эти бактерии содержат хлорофилл, каротиноиды.

Гетеротрофы, получающие углерод из органических соединений, также подразделяются на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. Первые используют солнечную энергию за счет своих пигментов, вторые получают энергию благодаря окислению глюкозы или азотсодержащих соединений. Промежуточное положение между автотрофными и гетеротрофными микроорганизмами занимают прототрофные, которые усваивают углерод из органических соединений (как гетеротрофы), а азот - из минеральных веществ (как автотрофы).

По способу усвоения азота также различают несколько групп микроорганизмов: усваивающие молекулярный азот, азот из аммиачных солей, из нитратов и нитритов, из простых белков и из сложных белков. Микроорганизмы, способные фиксировать молекулярный азот, называют нитрогенбактериями.

Большинство микроорганизмов способны усваивать азот в восстановленной форме. Бактерии, усваивающие азот нитратов и нитритов, относятся к нитробактериям.

Соли аммония являются доступным источником азота для многих микроорганизмов, так как азот этих соединений может прямо использоваться при синтезе аминокислот. Бактерии, для которых источником азота являются аммиачные соли, называются аммонбактериями.

Многие бактерии усваивают азот из простых белков - это пеп- тонные бактерии. Наконец имеются бактерии, усваивающие азот из сложных белковых соединений.

Суммарные данные о питательных веществах и их назначении для микробной клетки приводятся в табл. 13.

Необходимые для питания вещества микроорганизмы получают из окружающей среды. Для культивирования бактерий в лабораторных или производственных условиях используются питательные среды, которые в зависимости от состава, консистенции, назначения являются достаточно разнообразными.

Питательные вещества могут проникать в организм двумя путями: путем заглатывания, захватывания плотных частиц с последующим их перевариванием - голозойный способ; путем использования небольших по размерам молекул питательных веществ - голофитный способ. У микроорганизмов, за исключением некоторых представителей простейших (например, амебы), преобладает голофитный способ питания.

Поступление питательных веществ в микробную клетку происходит через всю ее поверхность. Основным препятствием для этого является цитоплазматическая мембрана.

Различают два типа транспорта: пассивный и активный. Первый не требует затрат энергии, второй - энергозависимый. Пассивный транспорт незаряженных молекул осуществляется по градиенту концентрации, транспорт заряженных молекул зависит от градиента концентрации Н+ и трансмембранной разности потенциалов, которые объединяются в трансмембранный градиент Н+ или электрохимический протонный градиент. Как правило, внутренняя цитоплазматическая поверхность мембраны несет отрицательный заряд, что облегчает проникновение в клетку положительно заряженных ионов.

.

Таблица 1.

.

Источники питательных веществ для микроорганизмов

Цель использования	Вещество
Строительные нужд.	Минеральные соли, газообразный азот, углекислота, факторы рост.
Энергетические нужд.	Газообразный водород, сероводород, тиосульфа.
Строительные и энергетические нужд.	Углеводы, белки, аммиак, нитриты, нитрат.

.

В транспортных процессах прокариотической клетки основную роль играет электрохимический протонный градиент, при этом перенос идет против градиента концентрации веществ.

После попадания питательных веществ в клетку дальнейшие процессы идут у всех организмов одинаково. Прежде всего происходят процессы расщепления этих веществ на небольшие фрагменты с последующим превращением их в ряд низкомолекулярных соединений (катаболизм). Эти процессы протекают с освобождением энергии и запасанием ее в АТР или в других соединениях. Из образовавшихся веществ происходит синтез сначала мономеров (строительных блоков), а затем полимеров (макромолекул). Эти процессы протекают с поглощением энергии и представляют собой анаболизм.

Энергетический обмен. Совокупность биохимических реакций, служащих источником энергии для жизнедеятельности микробной клетки, называется дыханием микробов. У микроорганизмов, как и у эукариот, различают два типа дыхания: аэробное и анаэробное. Аэробное дыхание осуществляется в присутствии кислорода воздуха при участии ферментов цитохромов и цитох- ромоксидаз. Акцептором электронов является молекулярный кислород, восстановленным продуктом - вода. В анаэробном дыхании участвуют ферменты дегидрогеназы. В зависимости от типа дыхания различают несколько групп микроорганизмов.

Строгие (облигатные) аэробы растут только при наличии воздуха, обладают набором ферментов для аэробного дыхания, производят полное окисление углеводов до СО2 и Н2О.

Строгие анаэробыы могут развиваться лишь в бескислородной среде, обладают анаэробным дыханием.

Факулътативные анаэробы способны развиваться как в бескислородных, так и в кислородных условиях. Процесс дыхания у них протекает в две фазы - сначала фаза анаэробного роста, а затем потребление кислорода и более глубокое расщепление углеводов. Они обладают обоими наборами ферментов.

Микроаэрофилы развиваются при низких концентрациях кислорода - до 1%. К ним относятся спирохеты, актиномицеты.

Аэротолерантные микробыы могут развиваться при пониженных концентрациях кислорода - до 10%. Примером могут служить Clostridium perfringens.

Капнические микробыы требуют повышенного содержания углекислоты (например, Brucella abortus).

Энергетический обмен у прокариот в основном включает в себя те же этапы, что и у эукариот.

Анаэробное дыхание. Наряду с аэробным дыханием, при котором конечным акцептором водорода является кислород, многие микроорганизмы преобразуют энергию и получают АТР, осуществляя так называемое «анаэробное дыхание», при котором конечным акцептором водорода является кислород, входящий в состав различных соединений (карбонат, нитрат, сульфат, фумарат и т. д.). Электронно-транспортная цепь этих микроорганизмов напоминает описанную выше у аэробов.

Денитрифицирующие бактерии являются факультативными анаэробами. Конечным акцептором водорода является нитрат (нитратное дыхание). В результате реакции образуется N2. Этот процесс играет роль в круговороте азота в природе.

Ряд факультативных анаэробов и в том числе кишечная палочка восстанавливают нитрат до нитрита.

Сульфатредуцирующие бактерии - строгие анаэробы. Конечным акцептором электронов у них является сульфат, который восстанавливается до сероводорода.

Метанообразующие бактерии также осуществляют разложение органических веществ в процессе карбонатного дыхания. Эти микроорганизмы - строгие анаэробы. СО2используется ими в качестве конечного акцептора водорода, в результате чего образуется метан.

Анаэробныье сукциногенныье бактерии осуществляют фумаратное дыхание, в процессе которого фумарат восстанавливается до янтарной кислоты.

Все указанные группы микроорганизмов играют важную роль в процессах разложения органических веществ.

Брожения. В 1837 г. Каньяр де ла Тур предположил, что дрожжи принимают участие в превращении сахара в спирт при спиртовом брожении. В 1857 г. Луи Пастер доказал, что живые дрожжи осуществляют брожение. В конце XIX века Э. Бухнеру удалось добиться сбраживания сахаров под влиянием бесклеточного экстракта дрожжей, полученного при их механическом разрушении.

Согласно современным представлениям предковые прокариотические организмы получали АТР в процессе брожения по принципу субстратного фосфорилирования. Этот метаболический процесс служит основным путем получения АТР у многих современных прокариот. При брожении в анаэробных условиях осуществляются окислительно-восстановительные процессы. Часть образующихся веществ (органические кислоты) выводится из клетки, ПВК используется самой клеткой и для биосинтеза. Сбраживанию могут подвергаться углеводы, аминокислоты, пурины, пиримидины, органические кислоты, спирты. При брожении происходит анаэробное окисление, то есть отщепление электронов от промежуточных продуктов обмена, катализируемое дегидрогеназами, и акцептирование их другими продуктами обмена. Иными словами, и донорами, и акцепторами электронов являются одни и те же органические соединения.

Брожение осуществляют строгие анаэробы и некоторые факультативные анаэробы. Различают несколько типов брожений: молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, уксуснокислое. В зависимости от количества образующихся основных продуктов брожения различают гомоферментативное и гетероферментативное брожения. При первом образуется один конечный продукт, при втором - несколько.

Фотосинтез. Есть все основания считать, что в процессе эволюции вначале возник Н2S-фотосинтез. Этот механизм используют и современные зеленые серные бактерии. Впоследствии возникли цианобактерии, которые приобрели способность использовать водород воды для восстановления СО2. Именно благодаря деятельности цианобактерий в атмосфере Земли появился кислород и стало возможным аэробное дыхание, что привело к качественным изменениям жизни на Земле.

Мы рассмотрели два типа получения энергии прокариотами: окислительное и субстратное фосфорилирование. Наряду с этим имеются две группы прокариот, которые способны, подобно зеленым растениям, использовать солнечный свет в качестве источника энергии. Это два класса аэробных (оксигенных) фототроф- ных бактерий (прохлорофиты и цианобактерии) и анаэробных (аноксигенных) фототрофных бактерий (пурпурные и зеленые бактерии). Прокариоты обеих групп способны связывать СО2, имеют фотосинтетические пигменты, однако первые используют воду в качестве доноров водорода и выделяют кислород в процессе фотосинтеза, они обладают хлорофиллом а, фикобилинами и каротиноидами. Вторые используют в качестве доноров водорода органические вещества, H2S, H2 и не выделяют кислород при фотосинтезе. В эукариотических клетках фотосинтез осуществляется в хлоропластах, в прокариотических - в цитоплазматической мембране и ее производных. Фотосинтетический аппарат включает три основных структурных комплекса: светособирающий, трансформирующий и электронно-транспортный (табл. 14).

Цианобактерии широко распространены в природе. Они могут быть одноклеточными (хроококковые, плеврокапсовые) или многоклеточными, к ним относятся нитчатые без гетероцист, в которых имеются лишь вегетативные клетки; нитчатые с гетероцистами, делящиеся в одной плоскости; и нитчатые с гетероцистами, делящиеся в двух и более плоскостях.

.

Таблица 1.

.

Фотосинтетический аппарат прокариот

Системы фотосинтетического аппарата	Цианобактерии	Пурпурные бактерии	Зеленые бактерии
Светособирающая систем.	Плазматическая мембрана. тилакоиды, фикобилисом.	Плазматическая мембрана и ее производные (тилакоиды,ламеллы,хроматофоры, тубулярные мембраны.	Плазматическая мембрана, хромосом.
Хлорофилл.	.	Бактериохлорофиллы а, в	Бактериохлорофилл а в сочетании с с или .
Фикобилипротеид.	.	.	.
Каротиноид.	.	.	.
Фотохимические реакционные центры (преобразование энергии солнечного света в химическую.	Плазматическая мембрана, тилакоид.	Плазматическая мембрана и ее производны.	Плазматическая мембран.
Хлорофилл.	а	Бактериохлорофиллы а, в	Бактериохлорофилл.
Система транспорта электроно.	Плазматическая мембрана, тилакоид.	Плазматическая мембрана и ее производны.	Плазматическая мембран.

.

Последние три группы цианобактерий - это не многоклеточные в обычном смысле организмы. Их клетки формируют цепочки - трихомы, внутри которых клетки делятся. Цианобактерии грамотрицательные, некоторые из них обладают капсулами и чехлами. И вегетативные формы, и особенно гетероцисты, богаты гранулами цианофицина. Ранее подробно описаны различные покоящиеся формы. Укажем, что у цианобактерий образуются гетероцисты, фиксирующие азот в аэробных условиях, и акинеты. При разрыве трихом возникают отдельные короткие цепочки гормогонии, с помощью которых цианобактерии размножаются. При множественном делении плеврокапсовых цианобактерий внутри материнской клетки образуется большое количество мелких беоцитов.

Прохлорофиты — одноклеточные неподвижные сферические грамотрицательные прокариоты, которые являются экзосимбионтами асцидий. В отличие от цианобактерий, тилакоиды прохлорофитов спаренные, у них отсутствуют фикобилисомы и фи- кобилипротеиды и имеется хлорофилл в.

Пурпурные бактерии отличаются большим разнообразием. Они грамотрицательные одноклеточные, полиморфные, их размеры колеблются в широких пределах (от 1 до 20 мкм), есть как подвижные, так и неподвижные, размножение одних происходит бинарным делением, других - почкованием. Среди пурпурных бактерий различают серные, имеющие включения серы в цитоплазме, и несерные, не содержащие таковых.

Зеленые бактерии обладают хлоросомами и не имеют тилакоидов. Среди них различают одноклеточные, грамотрицательные, неподвижные, анаэробные зеленые серобактерии, не использующие органические соединения в процессе фотосинтеза; и нитчатые грамотрицательные факультативные анаэробы, использующие органические соединения и неспособные к скольжению.

Хемосинтез. Наряду с фотосинтезирующими автотрофами существуют автотрофы, которые при связывании углекислого газа и синтезе органических веществ используют не лучистую энергию, а энергию, полученную в результате окисления неорганических соединений. Такие организмы, которые способны без освещения расти на минеральных субстратах, называют хемосинтезирующими. Их сравнительно немного, и все они являются прокариотами. Особенности жизнедеятельности хемоавтотрофов сами по себе чрезвычайно интересны, кроме того, в течение истории Земли они оказали весьма существенное воздействие на течение геохимических процессов. В зависимости от используемых субстратов хемосинтезирующие организмы подразделяют на: нитрифицирующие бактерии, железобактерии, водородны1е бактерии, серобактерии и бактерии, окисляющие сурьму.

Нитрифицирующие бактерии впервые выделил С.Н. Виноградский (1890 - 1892). Все они являются облигатными аэробами, по Граму окрашиваются отрицательно. Функционально их делят на две группы.

Первая из них окисляет аммоний до азотистой кислоты.

Вторая - азотистую кислоту до азотной.

При окислении аммония вначале образуется гидроксиламин (NH2OH), при этом не происходит образования энергосодержащих веществ, однако во всех последующих реакциях синтезируется АТР. Перенос возбужденного электрона, по-видимому, осуществляется по следующей цепи переносчиков.

Необходимый для синтеза органических соединений водород нитрифицирующие бактерии получают, восстанавливая NAD до NADH. На эти цели затрачивается энергия АТР или трансмембранного потенциала. Источником углерода служит СО2, который связывается в процессе цикла Кальвина. Энергетическая эффективность этих процессов достаточно велика, и согласно расчетам утилизация свободной энергии может превышать 50%.

Нитрифицирующие бактерии отличаются низкой способностью усваивать экзогенные органические вещества. Более того, многие органические вещества (глюкоза, глицерин, мочевина и др.) даже сдерживают рост таких бактерий.

Нитрифицирующие бактерии широко распространены в различных водоемах и в почве. 0ни активно участвуют в круговороте азота. В природе, обогащая почву нитратами, которые легко усваиваются корневыми системами растений, нитрифицирующие бактерии способствуют повышению плодородия почвы. Однако, кроме несомненной пользы, их деятельность приводит к повышению кислотности почв. В результате денитрификации нитрат-ионы восстанавливаются до молекулярного азота, что приводит уже к обеднению почвы доступными для растений соединениями азота.

Железобактерии получают энергию в результате окисления двухвалентного железа до трехвалентного. Прямо или косвенно железо могут окислять не только автотрофные прокариоты, но и некоторые гетеротрофы. Кроме того, некоторые серобактерии, наряду с серой, способны также окислять закисное железо. Результатом их деятельности по преобразованию соединений железа в течение миллионов лет явились колоссальные отложения железных руд.

Химическое преобразование субстрата железобактериями происходит следующим образом.

Цепь переносчиков электрона.

Водородные бактерии окисляют молекулярный водород. К этой группе относятся строгие и факультативные анаэробы, а также облигатные аэробы. Анаэробами являются некоторые фотосинтезирующие бактерии, которые используют Н2 как источник водорода, однако они нуждаются в солнечной энергии для синтеза органических веществ, поэтому к хемотрофам не принадлежат. Другие бактерии (десульфатирующие) из молекулярного водорода получают энергию, необходимую для связывания углекислого газа, но, кроме того, они нуждаются в готовых органических веществах и поэтому являются гетеротрофами. Наконец, существует группа действительно автотрофных аэробных бактерий, использующих в качестве источника энергии Н2. Поскольку они наряду с водородом используют еще и молекулярный кислород, их называют бактериями гремучего газа. Окисление Н2 управляется гидрогеназой и суммарно отвечает следующему уравнению.

где [СН2О] - синтезируемое органическое вещество.

Энергетическая эффективность водородных бактерий достигает 30%. У разных видов водородных бактерий цепь переносчиков электронов может варьировать. В наиболее типичном случае она выглядит следующим образом.

Фиксация СО2 также осуществляется в ходе реакций цикле Кальвина и на фосфоенолпирувате, источником которого служит фосфоглицерат. Источником углерода для водородных бактерий, кроме СО2, также могут служить некоторые органические вещества (глюкоза, глюконат, ацетат, пируват и др.). При наличии готовых органических веществ в окружающей среде водородные бактерии могут перейти на гетеротрофный тип питания, при этом их способность окислять Н2 и связывать СО2 снижается. Причиной тому слу жит подавление синтеза компонентов водородактивирующей системы гидрогеназы и некоторых ферментов цикла Кальвина.

Серобактерии встречаются в пресных и соленых водоемах, содержащих сероводород. Они бесцветны и морфологически подразделяются на три группы: нитчатые, одноклеточные с мелкими клетками и одноклеточные с крупными клетками. Многие серобактерии демонстрируют заметное сходство с цианобактериями, за что некоторые исследователи рассматривают их как бесцветные формы цианобактерий.

В отличие от фототрофных бактерий, использующих сероводород в качестве источника водорода и получающих энергию от света, серобактерии, окисляя различные соединения серы, восстанавливают ее до молекулярного состояния, а выделяющуюся при этом энергию используют для ассимиляции углекислого газа. Суммарно реакции окисления субстрата идут следующим образом.

При окислении сероводорода.

При окислении серы и тиосульфата в присутствии кислорода.

При окислении серы и тиосульфата без кислорода с использованием нитратов.

Транспорт электронов по цепи переносчиков у разных видов может иметь особенности и зависит от окисляемого субстрата. Источником углерода у серобактерий служит углекислый газ, который они в основном связывают в процессе реакций цикла Кальвина (как и большинство других хемоавтотрофов).

Функциональная деятельность серобактерий очень разнообразна. Особенности проявляются в специфике окисляемого субстрата, кроме того, некоторые виды могут окислять не только соединения серы, но и другие неорганические вещества, в частности закисное железо. Полученная при этом энергия также используется для автотрофного питания. Способность разных видов усваивать экзогенные органические вещества неодинакова.

Рост и размножение микроорганизмов. Рост представляет собой увеличение количества химических компонентов микробной клетки. Для характеристики роста микроорганизмов используется понятие бактериальной массы, которое выражается плотностью бактерий (сухая масса на 1 мл). Размножение микробов описывается числом бактерий, отражающим концентрацию клеток в 1 мл. Строгой пропорциональности между увеличением числа бактерий и бактериальной массы нет. Это объясняется тем, что в популяции бактерий не все клетки являются жизнеспособными - часть из них мертвые, некоторые находятся на разных этапах деструкции. Участвуя в создании бактериальной массы, такие клетки не участвуют в дальнейшем размножении бактерий. Размножение бактерий происходит путем прямого деления. При этом образуется перетяжка или начинается врастание цитоплазматической мембраны внутрь, перпендикулярно продольной оси клетки с образованием диска - клеточной пластины. Эта пластина иногда может быть неполной и имеет отверстие, в центре которой соединяет обе сестринские клетки. В дальнейшем в клеточную пластину врастает боковая стенка, которая образует поперечную перегородку, делящую клеточную пластину на две части, каждая из которых отходит к одной из образовавшихся клеток. Центральное отверстие, не разделенное поперечной перегородкой или пластиной, получило название плазмодесмоса. Плазмодесмос играет роль в соединении клеток некоторых бактерий в длинные цепочки или группы. Помимо отмеченного, процесс деления бактериальных клеток может происходить путем перешнуровывания. Число бактериальных клеток в процессе размножения увеличивается в геометрической прогрессии. Для большинства бактерий время генерации составляет 20 - 30 минут.

Рост и размножение бактерий проявляются по-разному в зависимости от условий культивирования. На плотных питательных средах проявлением роста и размножения бактерий является появление колоний, представляющих собой визуально различимые скопления бактериальных клеток. Колонии характеризуются набором определенных признаков, на основании которых можно идентифицировать чистые культуры бактерий. К этим признакам относятся: размеры (крупные, средние, мелкие, микроскопические); форма (круглые, распластанные и др.); окраска, зависящая от образования бактериями пигментов; поверхность (выпуклая, плоская, матовая, блестящая и др.); характер краев (ровный, шероховатый и др.); консистенция (однородная, пастообразная, слизистая и др.); прозрачность (прозрачные, мутные).

При периодическом культивировании у бактерий наблюдается последовательная смена фаз роста, которую отражает кривая роста (рис. 54).

Процесс роста начинается с фазы задержки роста, или лагфазы. В этот период происходит интенсивная метаболическая активность бактерий, результатом которой является подготовка клетки к быстрому размножению. Фаза начинается с момента внесения бактерий в среду. Продолжительность ее зависит от возраста засеянной культуры (она более длительная при внесении старой культуры), состава среды, температуры и других моментов.

В некоторых случаях у бактерий наблюдается двухфазная лагфаза. Так, E.coli при выращивании на среде, содержащей глюкозу и сорбит, используют вначале глюкозу, а синтез ферментов для усвоения сорбита подавляется. Лишь после израсходования глюкозы эти ферменты начинают функционировать. Описанное явление получило название диауксии.

Во второй фазе - ускоренного размножения - начинается размножение бактерий. Эта фаза сравнительно короткая и переходит в следующую фазу - логарифмическую, или экспоненциальную. В течение этой фазы бактерии характеризуются наиболее высокой физиологической активностью, они весьма устойчивы к воздействию факторов внешней среды и обладают высокой иммуногенностью. Для логарифмической фазы свойственно максимальное увеличение скорости роста бактериальных клеток. Бактерии размножаются в геометрической прогрессии, и кривая роста в этой фазе представляет собой экспоненту. Продолжительность данной фазы у большинства бактерий составляет 3-5 часов.

Логарифмическая фаза завершается фазой отрицательного ускорения роста, когда скорость размножения бактерий замедляется и в культуре начинают накапливаться отмирающие особи. Когда количество вновь образующихся и отмирающих клеток становится практически одинаковым, наступает стационарная фаза роста, или фаза максимальной концентрации (М-концентрации). В этой фазе бактерии отличаются активной жизнедеятельностью, для них характерен выраженный полиморфизм. Количество биомассы в стационарной фазе представляет собой урожай бактерий.

К концу стационарной фазы количество отмирающих клеток начинает превышать число вновь образующихся, и начинается период отмирания бактерий.

Он включает фазу ускоренной гибели, фазу логарифмической гибели и фазу уменьшения скорости отмирания. В это время в культуре появляется множество инволюционных форм, клетки плохо окрашиваются, содержат меньше воды, РНК. Количество бактериальных клеток в культуре в конце периода роста несколько превышает исходное число бактерий. Продолжительность такого цикла для большинства бактерий составляет 18 - 24 часа.

Культуры, в которых все клетки находятся в одинаковых фазах роста, получили название синхронных.

На рост бактерий существенное влияние оказывают факторы внешней среды, особенно физической и химической природы.

К физическим факторам относятся температура, излучения, высушивание, давление, ультразвук и другие.

Температура. Жизнедеятельность микроорганизмов приспособлена к окружающим температурным условиям, отклонение от которых может оказывать существенное влияние на микроорганизмы.

Микроорганизмы способны развиваться в широком диапазоне температур - от низких (около 0° С и даже ниже) до высоких (60 - 800 С и иногда выше). Для микроорганизмов выделяют три температурные границы: оптимальную температуру, наиболее благоприятную для их развития; минимальную - самую низкую, при которой развиваются микроорганизмы; максимальную - самую высокую, при которой еще возможна жизнедеятельность микроорганизмов. В зависимости от температуры можно выделить три группы микроорганизмов: психрофильные, мезофиль- ные и термофильные.

Психрофильные микробы включают холодолюбивые микроорганизмы (греч. рьюйгов - холод). Оптимальной температурой для них является 15 - 20° С, минимальной - 0 - 4° С, максимальной - 30 - 35° С. Психрофилы обитают в водоемах, могут развиваться в холодильных установках.

Мезофильные микроорганизмы развиваются в диапазоне температур 20 - 40° С. Оптимальными для них являются 35 - 37° С, минимальными - 15 - 20° С, максимальными - 42 - 45° С. К этим микроорганизмам относится большинство микробов, в том числе патогенные.

Термофильные микробы развиваются при повышенных температурах: оптимальная температура для них 50 - 60° С, минимальная - 35 - 40° С, максимальная может доходить до 70 - 80° С, а в отдельных случаях - до 100° C. Эти микроорганизмы обитают в горячих источниках, минеральных водах, грязях, навозе.

Наконец, промежуточное положение между термофильными и мезофильными микроорганизмами занимают термотолерантные микробы, развивающиеся при температуре 50° С.

При снижении температуры жизнедеятельность микробов практически не меняется. Многие микроорганизмы способны сохранять жизнеспособность при очень низких температурах в течение длительного времени.

Наоборот, переход к более высоким температурам оказывает губительное действие на микроорганизмы, что лежит в основе методов стерилизации, или обеспложивания, то есть полного уничтожения всех микроорганизмов.

Излучения. Лучистая энергия оказывает серьезное влияние на микроорганизмы. Солнечный свет способствует жизнедеятельности группы фототрофных микробов, у которых биохимические реакции происходят под влиянием солнечной энергии. Большинство микроорганизмов являются фотофобными, то есть боящимися света. Прямой солнечный свет губительно действует на микробы, о чем свидетельствует опыт Бухнера. Он состоит в том, что на чашку с агаром засевается бактериальная культура, на дно чашки накладываются кусочки темной бумаги и чашка освещается прямым солнечным светом в течение 1-2 часов со стороны дна, после чего инкубируется. Рост бактерий отмечается только в местах, соответствующих кусочкам бумаги. Губительное действие солнечного света связано, в первую очередь, с воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 234 - 300 нм, которое поглощается ДНК и вызывает димеризацию тимина. Такое действие ультрафиолетовых лучей используется для обезвреживания воздуха в различных помещениях, больницах, операционных, палатах и т. д.

Ионизирующая радиация также губительно действует на микроорганизмы, однако микробы высокоустойчивы к этому фактору, обладают радиоустойчивостью (их гибель происходит при облучении в дозах 10000 - 100000 Р). Это связывают с малыми размерами мишени из-за низкого содержания нуклеиновых кислот у микроорганизмов. Ионизирующая радиация используется для стерилизации некоторых биологически активных веществ, пищевых продуктов. Преимуществом этого способа является то, что при такой обработке не изменяются свойства обрабатываемого объекта.

Высушивание является одним из факторов, регулирующих содержание микроорганизмов во внешней среде. Отношение микробов к этому воздействию зависит во многом от условий, в которых оно происходит. В естественных условиях высушивание губительно действует на вегетативные формы бактерий, но практически не влияет на споры, которые могут сохраняться в высушенном состоянии десятилетиями. В процессе высушивания вегетативные клетки теряют свободную воду и происходит денатурация белков цитоплазмы. Однако многие бактерии, особенно патогенные, могут хорошо сохраняться в высушенном состоянии, находясь в патологическом материале, например в мокроте, которая образует вокруг клеток бактерий нечто подобное футляра.

При высушивании из замороженного состояния в вакууме микроорганизмы хорошо сохраняют свою жизнеспособность, что связывают с переходом в состояние анабиоза. Такой метод лиофильной сушки широко используется для сохранения музейных культур микроорганизмов.

Давление. Микроорганизмы устойчивы к высокому атмосферному давлению, благодаря чему они способны существовать и развиваться на больших глубинах - до 10 000 м. Микроорганизмы хорошо переносят высокое гидростатическое давление - до 5 000 атм.

Ультразвук. При обработке микроорганизмов ультразвуком наблюдается гибель клеток вследствие их дезинтеграции. Полагают, что при действии ультразвука в клетке образуются кавитационные полости, в которых создается высокое давление, что ведет к разрушению структур клетки.

Химические вещества оказывают на микробную клетку различное воздействие. Одни из них (как например, ростовые факторы) могут стимулировать развитие микроорганизмов, другие подавляют их жизнедеятельность, а третьи не оказывают никакого влияния на микробы. Помимо этого, микроорганизмы не одинаковы по чувствительности к тем или иным химическим веществам.

Многие химические соединения обладают антимикробным действием, причем это действие проявляется двояко. Химические вещества могут убивать микробные клетки, оказывая бактерицидное действие, либо останавливать их размножение - бактериостатическое действие. Характер действия химических агентов на микроорганизмы зависит от дозы вещества (концентрации) и времени воздействия (экспозиции). Но встречаются и исключения. Так, 90%-ный раствор карболовой кислоты оказывает более слабое воздействие, чем 4 - 5% -ный растворы.

Антимикробным действием обладают различные группы химических веществ: галоиды (хлор, бром, йод), соли тяжелых металлов (ртути, серебра, меди, серы), кислоты (салициловая, борная), щелочи (аммиак, бура), окислители (перекись водорода, перманганат калия), спирты (этиловый), фенолы, красители (бриллиантовый зеленый и другие), производные нитрофурана (фурацилин, фурагин), детергенты и т. д.

Механизм действия химических веществ на микробную клетку различен.

1. Повышение проницаемости клеточных мембран, в первую очередь, цитоплазматической мембраны. Таким действием обладают поверхностно-активные вещества (детергенты), которые снижают поверхностное натяжение и нарушают проницаемость цитоплазматической мембраны. Таким действием обладают также соли серебра.

2. Денатурация белков клетки, осуществляемая солями тяжелых металлов, галоидами и другими.

3. Окисление метаболитов или ферментов, осуществляемое производными хлора, йода, перекисью водорода, перманганатом калия, цианидами и другими веществами.

4. Блокирование биохимических реакций красителями, формалином, малонатом, в том числе блокирование синтеза белка некоторыми антибиотиками, блокирование синтеза ДНК митомицином С и т. д.

5. Растворение липопротеидных структур.

Многие химические вещества используются для уничтожения патогенных микробов на различных объектах внешней среды - дезинфекции. Некоторые химические вещества обладают широким спектром антимикробного действия, вследствие чего могут использоваться для стерилизации пищевых продуктов, лекарственных препаратов, приборов. Таким эффектом обладает окись этилена, которая действует в присутствии воды.