Химический состав микробов [1969 Германов Н.И.
Опубликовано: 01.09.2018
Тела микроорганизмов содержат те же химические вещества, которые находятся и у высших растений и животных. Это говорит о материальном единстве и физиологическом родстве всего живого мира.
Вода - главнейшая составная часть микробной клетки - 80-85%. Часть воды находится в свободном состоянии. Вода принимает непосредственное участие в основных химических реакциях в живой клетке. Она служит дисперсионной средой для коллоидов и растворителем для кристаллов. Большая часть воды находится в связанном состоянии, в котором она удерживается коллоидами протоплазмы.
Сухого вещества в клетке имеется в пределах 15-25% от общего ее веса. Главное место здесь приходится на так называемые органогены: углерод - 46-50% к сухому весу клетки, кислород-30%, азот - 7-14% и водород - 6-8%. Эти элементы во время сжигания клеток для анализа улетучиваются в виде газообразных соединений.
Белки в сухом веществе микробных тел составляют самое большое количество - 50-80%.
Простые белки - протеины микробных тел близки по составу к протеинам высших организмов. При гидролизе их образуются только аминокислоты: триптофан, лизин, аргинин, тирозин, лейцин и др.
Сложные белки - протеиды представляют собой соединения простых белков с небелковыми веществами: с нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды), полисахаридами (глюкопротеиды), с жирами и жироподобными веществами (липопротеиды), с железом (хромопротеиды) и др. Протеиды играют исключительно важную роль в жизнедеятельности микробов. К протеидам относятся и ферменты.
Белки имеют очень большой молекулярный вес - от десятков тысяч до нескольких миллионов - и являются коллоидами. Они дают растворы - золи, которые легко переходят в состояние вязкого геля - студня. Переход золя в гель и обратно имеет большое значение в жизнедеятельности клетки. Белки наиболее легко выпадают в осадок в изоэлектрической точке, когда степень диссоциации кислых и щелочных групп одинакова.
Белки-полимеры состоят из полипептидов, а последние в свою очередь из аминокислот. Число аминокислот в молекуле низкомолекулярных белков составляет более ста, в крупных белковых молекулах может содержаться их несколько десятков тысяч. Порядок расположения аминокислот пока выяснен только у немногих белков, например: в ферменте рибонуклеазе, в белке вируса табачной мозаики. Всего в организмах имеется около 20 различных аминокислот. Но из них может возникать неисчислимо большое количество разнообразнейших белков. Поясним это на примере. В некоторых алфавитах имеется около 20 букв (в итальянском 21 буква). Но из этого количества букв составлены десятки тысяч разных слов, а из слов сложено неисчерпаемое множество рассказов, стихов, статей и пр. Отсюда понятна специфичность белков всех видов живых существ и даже разных их органов.
Нуклеиновые кислоты составляют 5-30% сухого вещества. Они также высокомолекулярные полимеры. Наиболее крупные молекулы их можно видеть в электронный микроскоп. Длинная цепочка молекулы нуклеиновой кислоты состоит из ряда построенных одинаковым образом звеньев - нуклеотидов. Нуклеотид состоит из молекулы азотистого основания, молекулы углевода, содержащей 5 атомов углерода (пентоза) и остатка молекулы ортофосфорной кислоты.
Нуклеиновые кислоты, содержащие углевод дезоксирибозу (С5Н11О4), называются дезоксирибонуклеиновыми (ДНК), а содержащие рибозу (C5H11O5) -рибонуклеиновыми (РНК).
Из азотистых оснований ДНК содержит пурины - аденин, гуанин и пиримидины - тимин и цитозин. РНК содержит те же основания только кроме тимина - урацил. В каждом нуклеотиде одно из этих оснований. В молекуле ДНК содержится 20-25 тысяч таких нуклеотидов, в РНК-5-6 тысяч. Отдельные нуклеотиды, соединенные между собой эфирными связями, образуют спирально закрученные нити. Эти спирали у РНК однонитчатые, а у ДНК двухнитчатые, в виде винтовой лестницы. В ДНК пурин - аденин одной спирали всегда соединен водородными связями с пиримидином - тимином другой спирали, а гуанин с цитозином. Такие пары нуклеотидов в той или другой ДНК находятся в определенном количестве и расположены в определенной последовательности.
Для каждого вида организмов существует своя специфическая ДНК, отличная от ДНК другого вида. Нет универсальной ДНК, а существует множество специфических ДНК. Специфичность нуклеиновых кислот зависит от количества и последовательности расположения азотистых оснований в молекуле ДНК, а количество таких комбинаций может достигать невероятной цифры - 101000.
Клетки животных, растений и микробов всегда содержат ДНК и РНК, причем ДНК находится главным образом в ядре или в его эквиваленте, РНК содержится в цитоплазме.
Молекулы ДНК, как и хромосомы высших организмов, имеют особенность. Они способны к самоудвоению, к редупликации. При самоудвоении ДНК водородные связи двух цепочек разрываются и цепочки расходятся. Затем к каждой цепочке присоединяются соответствующие свободные нуклеотиды, т. е. к аденину присоединяется тимин и т. д. Таким образом одноцепочная ДНК опять превращается в двуцепочную, которая является точной копией первоначальной двуцепочной ДНК.
ДНК является основным хранителем наследственных признаков организма, которые в процессе размножения передаются через нее потомкам. Она содержит в себе генетическую информацию.
ДНК и РНК определяют биосинтез белков. Открытие генетического значения ДНК, строения ДНК и РНК позволило ученым создать схему синтеза белка. Биосинтез белка - это сложный многоступенчатый процесс. В нем участвуют ДНК, различные разновидности РНК, аминокислоты и ферменты. В ядре клетки на отдельных участках гигантской спирали ДНК синтезируется, как на матрице, точная копия ее РНК, называемая информационной (и-РНК)*; и-РНК, получив, таким образом, наследственную информацию, т. е. специфическое расположение нуклеотидов данного отрезка ДНК, покидает ДНК и переходит в цитоплазму к рибосомам клетки. Рибосомы могут синтезировать любые белки организма, но они синтезируют тот белок, информацию о котором приносит им и-РНК. Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме, активизируются ферментами и другой растворимой, так называемой транспортной, т-РНК, или РНК-переносчиком, доставляются в рибосомы. Здесь и-РНК обеспечивает упорядоченное распределение аминокислот в специфические цепи полипептидов в соответствии с информацией, полученной ею от ДНК. Поскольку белки в организме состоят из 20 аминокислот, а ДНК и РНК состоят только из четырех нуклеотидов, то было очень трудно выяснить соотношение аминокислот с нуклеотидами. В результате изучения оказалось, что каждой аминокислоте, включаемой при синтезе в пептидную цепочку, соответствует определенный набор нуклеотидов, а именно в количестве трех нуклеотидов, называемых вместе триплетом (тройкой) или кодоном. Так, включение аминокислоты триптофана в синтезируемый пептид определяется триплетом, состоящим из трех нуклеотидов: урацила, гуанина и аденина. Так же было выяснено, что каждая аминокислота определяется особой т-РНК и особым ферментом. Конечно, эта схема изложена очень кратко и упрощенно. Раскрытие механизма биосинтеза белков - этого важнейшего достижения молекулярной биологии - было произведено главным образом на микроорганизмах - бактериях и вирусах.
* ()
Углеводы составляют 12-28% сухого вещества тел микробов. Они представлены главным образом полисахаридами. Клетчатка - главное опорное вещество растений - у бактерий обычно отсутствует. Сложные полисахариды могут содержать 1-5% азота. Много полисахаридов содержат капсульные бактерии.
Липоиды - жироподобные, не растворяющиеся в воде вещества. Они в сухом остатке составляют 1,7-3,7%. Особенно много их у кислотоупорных бактерий. Так, туберкулезная палочка содержит их до 40%. Липоиды содержатся в оболочке и поверхностных слоях протоплазмы.
Многие липоиды обладают большой физиологической активностью, принимают участие в обмене веществ. Сюда относятся фосфолипиды, т. е. липоиды, содержащие азот и фосфор, стероиды, каковым является эргостерин, содержащийся в пивных дрожжах. Из эргостерина налажено целое производство витамина D. К липоидам относятся также каротиноиды - оранжевые пигменты розовых дрожжей, некоторых пигментированных бактерий и актиномицетов. Через липоидные оболочки проникают в клетку вещества, нерастворимые в воде.
Минеральные вещества бактерий, так называемые зольные элементы, составляют 3-10% сухого вещества. Больше всего в золе находится фосфора, около половины всей золы. Фосфор входит в состав таких физиологически активных веществ, как нуклеопротеиды, фосфолипиды и ряд коферментов (тиамин и пр.). Фосфорная кислота играет выдающуюся роль в дыхании микробов, аденозинтрифосфорная кислота является аккумулятором образовавшейся энергии. Фосфор в составе органических веществ живой клетки находится в окисленной форме (Р2О5). Источником фосфора служат соли ортофосфорной кислоты. Около четверти веса золы составляет калий. В небольших количествах содержится магний, кальций, сера и совсем малое количество натрия, хлора, кальция, железа. При ничтожном количестве в золе значение железа весьма велико: оно участвует в реакциях окисления и восстановления, входит в состав ферментов - цитохромов, оксидаз, пероксидазы. Сера - жизненно важный элемент для построения белка клетки.
Восстановленная группа SH обладает большой реактивной способностью. Источником серы являются сернокислые соли, для серобактерий - восстановленные соединения серы и сера. Калий невозможно заменить натрием и другими элементами. Значение его состоит в том, что он влияет на гидрофильность коллоидов протоплазмы, повышая их обводненность, содействуя синтетическим процессам в клетке. Магний входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий. В натуральных средах, таких, как мясной бульон, пивное сусло, молоко и др., зольных элементов содержится достаточно. Но в синтетических средах приходится следить, чтобы эти соли были в должном количестве.
Кроме этих элементов для развития микробов необходимы в самых ничтожных количествах так называемые микроэлементы - бор, молибден, цинк, кобальт, медь, йод и др., ибо они участвуют в синтезе ферментных белков. Минеральные соли, необходимые для нормального роста микроорганизмов, представлены в таблице 1.
Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов нужны еще дополнительные факторы роста, главным образом витамины. Они нужны в очень малых дозах для синтеза различных ферментных систем. Многие из этих витаминов синтезируют сами микроорганизмы. Эти факторы представлены в таблице 2.
Соотношения различных химических соединений у микроорганизмов очень разнообразны. Они зависят от особенностей вида, возраста культуры, состава питательной среды и других условий.
