Химический состав микроорганизмов

Для понимания особенностей жизнедеятельности микроорганизмов, способов их использования и борьбы с ними необходимо знать их химический состав. Состав веществ микроорганизмов почти аналогичен химическому составу животных и растений. Так же, как и в клетках животных и растений, важнейшими компонентами микробных клеток являются белки. Четыре элемента: углерод, азот, кислород и водород составляют основу органических веществ — это органогенные элементы; именно из них на 90—97% состоит сухое вещество микробных клеток. Остальные элементы минеральные, это фосфор, калий, сера, кальций, магний, натрий, железо и др. Эти элементы также называют зольными, так как именно они остаются в золе после сжигания организма. Больше всего фосфора, который входит в состав белков, нуклеиновых кислот, АТФ и др. Обязательно в состав микробных клеток входят микроэлементы: цинк, медь, марганец, молибден, селен др.

Соотношение химических элементов в микробных клетках даже одного вида может быть разным, оно зависит от многих факторов (условий роста, возраста культуры и др.). Примерно половину составляет углерод, 30% — кислород и по 10% — водород и азот. Все элементы связаны в клетках в различные соединения.

Вода. Это соединение крайне важно для жизни микроорганизмов. Поступают в клетку и удаляются из нее все вещества только с водой. Вода составляет 75—85% массы микроорганизмов.

Вода — участник многих химических реакций, протекающих в клетке. Она находится в свободном состоянии и может быть связана с различными соединениями, например с белками. Вода входит в клеточные структуры и др. Количество свободной воды в микробной клетке меняется в зависимости от условий окружающей среды, состояния микроорганизма, его возраста и т. п. Так, в спорах бактерий и грибов воды значительно меньше, чем в клетках вегетативных. Важно, что при потери свободной воды происходит высыхание клетки, меняется обмен, но клетка не погибает. При потере связанной воды нарушается состояние клеточных структур и наступает гибель клетки.

Органические вещества. Сухого вещества в клетках микроорганизмов примерно 20% общей массы, и на 90% оно состоит из белков, липидов, углеводов и др. Интересно, что при огромном многообразии органических соединений образованы они небольшим количеством элементов. В клетках микроорганизмов (как и всех живых существ) содержатся низкомолекулярные (аминокислоты, сахара, липиды, нуклеотиды и др.) и высокомолекулярные (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты) вещества.

Белки. Это основные компоненты клетки. У бактерий содержание белков — 40—80%, у дрожжей — 40—60%, у мицелиальных грибов — 15—40% массы сухого вещества. Белкам принадлежит важнейшая роль в жизни микроорганизмов. Важнейшие белки клетки — ферменты — катализируют различные биохимические реакции, протекающие в микробной клетке. Аминокислотный состав белков микроорганизмов сходен с составом белков других живых организмов.

Почти все микроорганизмы обладают способность синтезировать все аминокислоты, из которых далее синтезируется несколько тысяч необходимых клетке белков. В связи с этим микроорганизмы являются возможными продуцентами белка, который можно использовать в пищевых и кормовых целях, так как микроорганизмы очень быстро накапливают биомассу и их можно выращивать на дешевом и недефицитном сырье (гидролизаты древесины и других растительных материалов, отходы пищевой, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности). Белок получают из дрожжей, некоторых бактерий и используют его в животноводстве и птицеводстве. В промышленном масштабе получают биомассу цианобактерии спирулины для использования в питании человека.

В клетке микроорганизмов содержатся нуклеиновые кислоты: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Молекула нуклеиновой кислоты представляет собой длинную цепь, которая состоит из многих элементарных единиц, называемых нуклеотидами. В состав каждого нуклеотида входят молекулы фосфорной кислоты, углеводного компонента (пентозы или дезоксипентозы) и одного азотистого основания (пуринового или пиримидинового). ДНК содержит дезоксирибозу и азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин. В молекуле ДНК содержится наследственная информация клетки, через нее наследственные особенности передаются потомкам. ДНК сосредоточена главным образом в ядре клеток микробов или в нуклеоиде (у бактерий). РНК содержит рибозу и азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин и урацил. РНК преимущественно сосредоточена в цитоплазме и в рибосомах. РНК рибосом участвует в синтезе белка.

Углеводы. В клетках бактерий углеводы составляют 10—30%, у грибов — 40—60% массы сухого вещества клетки. Углеводы представлены преимущественно полисахаридами (гликоген, крахмал, гранулеза), декстрином и клетчаткой (или близкими ей соединениями), моносахаридами (глюкоза, фруктоза, галактоза и др.). Полисахариды могут находиться в клетках микроорганизмов в связанном состоянии, например с белками, липидами. Углеводы входят в состав органелл клеток, используются для синтеза различных веществ, являются основным энергетическим материалом, могут откладываться в клетках про запас.

Липиды. К ним относят жиры и жироподобные вещества, достаточно разнообразные по составу и функциям. Липиды представляют собой эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот: если все гидроксильные группы глицерина связаны с жирными кислотами — то это триглицериды, если две — диглецириды, если одна — моноглицериды. Липиды составляют в клетках большинства бактерий 3—10; дрожжей и мицелиальных грибов — 40—60% массы сухого вещества клетки. Липиды входят в состав цитоплазматической и других мембран и откладываются в виде запасных гранул, они обусловливают токсические и антигенные свойства бактерий.

В клетках микроорганизмов часто обнаруживают пигменты, витамины и другие органические вещества. Пигменты, или красящие вещества, у некоторых микроорганизмов составляют значительную долю сухого вещества клетки. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов и иногда выделяются в окружающую среду. Полагают, что они выполняют защитные функции.

Особо необходимо отметить присутствие в клетках некоторых бактерий особых пигментов типа хлорофилла. Фотосинтезирующие бактерии содержат бактериохлорофилл, который отличается по строению от хлорофилла растений. Фототрофные микроорганизмы и некоторые дрожжи образуют пигменты каротиноиды, которые, как и бактериохлорофилл, участвуют в фотосинтезе.

У некоторых дрожжей в значительных количествах образуются каротиноиды (являющиеся провитаминами витамина А), что делает их перспективным источником получения белково-витаминных кормовых продуктов.

Минеральные вещества.

Составляют 5—15% сухого вещества микробной клетки. Они представлены солями: сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами и др. Фосфаты могут находиться в свободном виде в клетке и в виде различных соединений. Минеральные соединения являются стимуляторами роста и активаторами ферментов, оказывают влияние на протекание биохимических реакций, играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и других процессах клетки.