ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИКРООРГАНИЗМОВ

Для понимания процессов обмена веществ у микроорганизмов и их потребностей в пище необходимо знать химический состав их тела.

Состав веществ микроорганизмов в принципе мало отличается от химического состава тела животных и растений. Важнейшими компонентами клетки являются белки, нуклеиновые кислоты, липиды. Универсальны многие ферменты строительного и энергетического обменов.

Потребность микроорганизмов в питательных веществах определяется в основном элементарным составом их клеток.

Важнейшими химическими элементами, преобладающими в клетках микроорганизмов, являются углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, магний, кальций и железо. Первые четыре из указанных элементов составляют основу органического вещества, поэтому называются органогенными элементами. Они составляют 90–97% сухого вещества. Другие элементы называют зольными или минеральными, на долю которых приходится 3–10%. Из них больше всего содержится фосфора, который входит в состав важных веществ клетки (нуклеиновых кислот, АТФ и др.).

В клетках микроорганизмов находятся, хотя и в крайне малых количествах, микроэлементы: медь, цинк, марганец, молибден и многие другие. Некоторые микроэлементы входят в состав ферментов.

Соотношение отдельных химических элементов заметно колеблется в зависимости от вида микроорганизма и условий его роста. Среднее количество отдельных элементов в клетках микроорганизмов приведено в табл. 1.

Все элементы связаны в клетках в различные соединения, среди которых преобладает вода.

Вода. Вода составляет 75–85 % массы клеток. Она имеет важное значение в жизни организма. Все вещества поступают в клетку только с водой, с ней же удаляются и продукты обмена.

Часть воды в клетке находится в связанном состоянии (с белками, углеводами и другими веществами) и входит в клеточные структуры.

Остальная вода находится в свободном состоянии: она служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений, образующихся в клетке при обмене веществ. Вода – участник многих химических реакций, протекающих в клетке.

Содержание свободной воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и т. п. Так, в спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках, ввиду низкого содержания в них свободной воды. Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки и более или менее глубокие изменения обмена веществ. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает смерть клетки.

Органические вещества. Сухое вещество клеток микроорганизмов не превышает 15–25% и состоит преимущественно (до 85–95 %) из органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и др.

Таблица 1

Белковые вещества являются основными компонентами клетки. Содержание их у бактерий достигает 40–80 % сухого вещества, у дрожжей – 40–60, у грибов–15–40%. Белкам принадлежит важнейшая роль в жизни организма. Аминокислотный состав белков микроорганизмов сходен с белками других организмов. Различное сочетание аминокислот создает огромное количество белков, обусловливающих все разнообразие организмов.

Некоторые белки выполняют каталитические функции, катализируют различные биохимические реакции, протекающие постоянно в микробной клетке. Такие белки называют ферментами (подробно см. с. 48).

Многие микроорганизмы накапливают большое количество белков в клетке. Считают, что микроорганизмы можно рассматривать в качестве возможных продуцентов пищевого и кормового белка. Рентабельность промышленного производства таких белковых продуктов определяется быстротой накопления биомассы микроорганизмов и использованием для их выращивания дешевого недефицитного сырья. Сырьем может служить гидролизат древесины или других растительных материалов, отходы пищевой, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности. В СССР такой белок получают из дрожжей, некоторых бактерий, водоросли хлореллы и используют его в животноводстве и птицеводстве. В последние годы внимание микробиологов обращено на цианобактерии (сине-зеленые водоросли), некоторые из которых синтезируют большое количество белка.

Многие страны мира получают в промышленном масштабе биомассу цианобактерии спирулины для использования в питании человека. Такие работы ведутся и в СССР.

В клетке микроорганизмов содержатся нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Молекула нуклеиновой кислоты представляет собой длинную цепь, которая состоит из многих элементарных единиц, называемых нуклеотидами. В состав каждого нуклеотида входят молекула фосфорной кислоты, молекула углеводного компонента (пентозы или дезоксипентозы) и одного азотистого основания (пуринового или пиримидинового).

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содержит дезоксирибозу и азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин. В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация клетки, «записаны» все особенности будущего организма, выработанные в процессе длительной эволюции и свойственные данному виду. Через ДНК наследственные особенности передаются потомкам. ДНК сосредоточена главным образом в ядре клеток или в его аналоге – нуклеоидах бактериальных клеток.

РНК (рибонуклеиновая кислота) 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 входят в состав различных мембран клеток микроорганизмов. Они используются для синтеза различных веществ в клетке и в качестве энергетического материала. Углеводы могут откладываться в клетке в виде запасных питательных веществ. В клетках большинства бактерий углеводы составляют 10–30% сухого вещества, у грибов – 40 – 60%.

В теле микроорганизмов углеводы встречаются преимущественно в виде полисахаридов – гликогена, гранулезы (углевод, близкий к крахмалу), декстрина, клетчатки или близких ей соединений. Полисахариды находятся и в связанном состоянии с белками, липидами.

Липиды в клетках большинства микроорганизмов составляют 3–10 % сухого вещества. Лишь у некоторых дрожжей и плесеней количество липидов может быть значительно выше – до 40–60%· Липиды входят в состав цитоплазматиче-ской мембраны и в состав других мембран, а также откладываются в виде запасных гранул.

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, а иногда выделяются в окружающую среду.

Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты типа хлорофилла растений – бактериохлорофилл, который отличается по строению от хлорофилла растений. В настоящее время известно четыре типа бактериохлорофилл а: а, Ь, с, d.

Фототрофные микроорганизмы и некоторые дрожжи образуют, кроме того, пигменты каротиноиды. Каротиноиды, как и бактериохлорофилл, участвуют в ассимиляции углекислого газа.

У некоторых дрожжей в значительных количествах образуются желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые являются провитаминами витамина А. Производство таких дрожжей перспективно для получения белково-витаминных кормовых продуктов.

Минеральные вещества составляют не более 5– 15 % сухого вещества клетки. Они представлены сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами и др. Фосфаты могут быть в свободном виде и входить в состав различных соединений.

Минеральные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.