ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ - В. М. Самыгин - 2015
ГЛАВА 5. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИКРОБНЫХ КЛЕТОК
Изучение химического состава микроорганизмов необходимо для познания механизмов их жизнедеятельности и процессов обмена веществ. Биохимические процессы, протекающие в клетке, а, следовательно, и химический состав у различных бактерий неодинаковы. Даже у одного и того же вида характер обмена веществ и состав клетки будут меняться в зависимости от ее физиологического состояния и условий существования.
5.1. Неорганические вещества
В клетках живых организмов встречается около 90 различных химических элементов, причем примерно 25 из них обнаружено практически во всех клетках, а общее содержание минеральных веществ в бактериях, выращенных на обычных питательных средах, колеблется от 2 % до 14 % от веса сухой клетки.
По содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на три большие группы: макроэлементы, микроэлементы и улътрамикроэлементы. На долю макроэлементов в сумме приходится около 99 %, на долю микроэлементов - менее 1 %, а ультрамикроэлементов - менее 0,01 % массы клеток.
Обычно среди макроэлементов выделяют две большие группы. В первую группу входят кислород (65-75 %), углерод (15-18 %), водород (8-10 %) и азот (1,5-3 %), в сумме составляющие около 98 % от массы клеток. Их часто называют органогенными элементами. Эти четыре элемента входят в состав органических соединений; кроме того, из водорода и кислорода состоит вода, на долю которой приходится не менее 2/3 содержимого большинства клеток. Вторую группу представляют фосфор (0,2-1 %), калий (0,15- 0,4 %), сера (0,15-0,2 %), хлор (0,05-0,1 %), кальций (0,04-2 %), магний (0,02-0,03 %), натрий (0,02-0,03 %), железо (0,01-0,015 %), в сумме составляющие около 1,9 %.
К микроэлементам относятся марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, фтор.
Из ультрамикроэлементое можно назвать серебро, золото, бром, молибден, бор, мышьяк, селен и др. Следует, однако, помнить, что в больших количествах многие микроэлементы и ультрамикроэлементы токсичны для организмов.
Особое место среди неорганических соединений живых клеток занимает вода. Содержание воды в цитоплазме большинства видов бактерий колеблется от 75 % (Е. coli) до 85 % (холерный вибрион). Наибольшая концентрация воды свойственна капсульным бактериям, наименьшее количество воды содержат споры (40-50 %). По количеству вода является главной составной частью клетки; она находится в свободном состоянии или связана с другими составными частями клетки.
Связанная вода - структурный элемент цитоплазмы и не может быть растворителем. Свободная вода служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем для кристаллических веществ, источником водородных и гидроксильных ионов и участником химических реакций.
Важным свойством воды является способность ее молекул диссоциировать на ионы водорода (Н+) и гидроксила (ОН-), которые участвуют во многих биохимических процессах, в первую очередь в окислительно-восстановительных реакциях. В клетках концентрация ионов водорода (pH среды) поддерживается на определенном уровне, близком к нейтральному, что необходимо для нормальной работы ферментов. Молекула воды также может участвовать, например, в реакциях гидролиза (разрыва ковалентной связи с присоединением к образовавшимся продуктам водорода и гидроксила) или гидрирования (присоединения молекулы воды по двойной связи).
Высокая теплоемкость воды (поглощение тепла без значительного изменения собственной температуры) предохраняет живые организмы от резких колебаний температуры, а высокая теплота испарения воды защищает их от перегрева при повышенных температурах. Высокая теплопроводность воды обеспечивает быстрое выравнивание температуры в разных частях многоклеточных организмов.
5.2. Органические вещества
Органическими называют сложные углеродсодержащие вещества, количество которых в живых клетках во много раз превосходит количество неорганических соединений. Если в начале XIX в. было известно около 80 органических веществ природного происхождения, то к началу XX в. их число составило уже 100000, а сейчас число органических соединений, выделенных из природного сырья или полученных синтетически, превышает несколько миллионов и постоянно увеличивается.
Большинство органических веществ образовано небольшим количеством элементов. Практически во все эти вещества, помимо углерода, входит водород, многие из них содержат кислород и азот. Эти четыре элемента легко образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов на внешних орбиталях атомов. Для полного заполнения внешней орбитали углероду недостает четырех электронов, поэтому он способен образовать четыре электронные пары (четыре ковалентные связи), азоту недостает трех электронов, кислороду - двух, а водороду - одного. Углерод, азот и кислород способны, кроме того, образовывать и двойные связи, что значительно увеличивает разнообразие органических веществ и придает им новые свойства. В состав большого числа органических соединений входят также сера, фосфор и галогены.
В клетках живых организмов находятся низкомолекулярные органические вещества (аминокислоты, сахара, органические кислоты, нуклеотиды, липиды и т. д.) и высокомолекулярные, или биополимеры. Полимерами называют молекулы, состоящие из большого количества повторяющихся единиц - мономеров, соединенных друг с другом ковалентными связями и образующих длинную не разветвленную или разветвленную цепь. Полимер называют гомополимером, если входящие в его состав мономеры одинаковы (например, полисахариды - крахмал, гликоген, состоящие из молекул глюкозы), или гетерополимером, если он построен из нескольких различающихся мономеров (белки, построенные из 20 аминокислот, нуклеиновые кислоты, состоящие из 4 типов нуклеотидов).
Липиды. Особую группу органических соединений клетки составляют липиды (жиры и жироподобные вещества), имеющие разное строение и выполняющие разнообразные функции. Липиды найдены у всех бактерий, их количество у разных видов колеблется от 0,2 до 41 %. Липиды входят в состав оболочки клетки, играют роль запасных питательных веществ, обуславливают токсические и антигенные свойства бактерий. Расщепление жиров до углекислого газа и воды дает большое количество энергии (38,9 кДж/г), этим обусловлена энергетическая функция жиров.
Все липиды являются гидрофобными соединениями, т. е. нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных органических растворителях (хлороформе, бензоле, эфире). Наиболее просто устроены нейтральные липиды, или жиры, которые представляют собой эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот. Если все гидроксильные группы глицерина связаны с жирными кислотами, образуются триглицериды, если две или одна - диглицериды и моноглицериды соответственно. Нейтральные жиры могут откладываться в цитоплазме в виде капель.
Основу биологических мембран составляют фосфолипиды. Они также представляют собой эфиры глицерина и жирных кислот, но с жирными кислотами в молекуле фосфолипидов связаны только две спиртовые группы, а третья образует эфирную связь с остатком фосфорной кислоты. Фосфорная кислота может образовывать дополнительную эфирную связь с низкомолекулярными спиртами, формируя различные классы фосфолипидов. Таким образом, в составе молекул всех фосфолипидов имеются гидрофобные (остатки жирных кислот) и гидрофильные (фосфорная кислота и присоединенный к ней спирт) компоненты, поэтому молекулы могут взаимодействовать как с полярными, так и с неполярными растворителями (такие вещества называют амфифильными).
В воде и водных растворах фосфолипиды самопроизвольно формируют мицеллы (т. е. частицы дисперсной фазы золя, окруженного слоем молекул или ионов дисперсной среды), липосомы - двухслойные фосфолипидные везикулы, внутренний объем которых заполнен водой, или протяженные плоские бислойные структуры - основу всех биологических мембран. Поскольку в состав фосфолипидов входит большое количество ненасыщенных и полиненасыщенных жирных кислот, биологические мембраны при температуре обитания живых организмов находятся в «полужидком» (жидкокристаллическом) состоянии, что обеспечивает их гибкость, упругость и высокую подвижность встроенных в них белков.
Углеводы. Углеводами (сахарами, сахаридами) называют органические соединения с общей формулой (СН2О)n. По химической природе это чаще всего альдегидоспирты или кетоспирты. В зависимости от числа входящих в молекулу сахаров углеродных атомов (3, 4, 5, 6 и т. д.) их подразделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т. д.
Среди моносахаридов наибольшее значение имеют пентозы: рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеотидов РНК и ДНК, рибулоза, играющая важную роль в процессе фиксации углекислого газа в ходе фотосинтеза, а также гексозы: глюкоза - основной источник энергии, фруктоза и галактоза. Триозы и тетрозы (глицериновый альдегид и др.) образуются в качестве промежуточных продуктов в различных процессах обмена веществ.
В живых организмах присутствуют как моносахариды, так и ди- и полисахариды. Из дисахаридов наиболее распространены сахароза (фруктовый сахар), состоящая из молекул глюкозы и фруктозы, и лактоза (молочный сахар), состоящая из молекул глюкозы и галактозы. Полисахариды представляют собой, как правило, гомополимеры, состоящие из повторяющихся мономеров - молекул глюкозы, соединенных ковалентной связью между 1 и 4 (а у разветвленных полисахаридов - также между 1 и 6) атомами углерода.
Общее количество углеводов, входящее в состав микробной клетки, колеблется от 12 до 28 %. Основная масса углеводов представляет собой сложные соединения - полисахариды, распадающиеся при гидролизе на простые сахара. По сложности строения бактериальные полисахариды можно разделить на две группы: не содержащие азота и более сложные, содержащие от 1 до 5 % азота. Чаще всего азот находится в виде аминопроизводных глюкозы и галактозы.
Белки. Белки - высокомолекулярные органические соединения, неразветвленные гетерополимеры, состоящие из остатков α-L- аминокислот, соединенных пептидной связью (-СО-NН-). Аминокислоты, входящие в состав белков, называют протеиногенными, в живых организмах встречается около 100 аминокислот. Огромное разнообразие белков определяется последовательностью входящих в них аминокислотных остатков и длиной полипептидной цепи, от которых зависят различия пространственной структуры, химических и физических свойств белков. Многие из них являются компонентами различных биологически активных соединений и участвуют в обменных процессах.
Имеется 4 уровня структурной организации белков: первичная структура (последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи; поддерживается ковалентными пептидными связями), вторичная структура (α-спиральные участки) поддерживается за счет водородных связей между СО- и NН-группами пептидных связей), третичная структура (трехмерная пространственная укладка полипептидной цепи; поддерживается за счет S-S-мостиков между остатками цистеина, гидрофобных, электростатических и водородных связей между аминокислотными остатками) и четвертичная структура (ассоциация нескольких полипептидных цепей в единую структуру) (рис. 7).
Рис. 7. Уровни структурной организации белков
Четвертичную структуру имеют не все белки. Иногда различные белки образуют сложные надмолекулярные комплексы, функционирующие как единое целое (например, рибосомы или компоненты дыхательной цепи митохондрий). По составу белки разделяют на простые - протеины, состоящие только из аминокислот, и сложные - протеиды, в состав которых входят кроме аминокислот углеводы (гликопротеиды), липиды (липопротеиды), нуклеотиды или нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), а также металлопротеиды, фосфопротеиды и т. д.
Общее количество белка в бактериях составляет 50-75 % сухого вещества. Важнейшие биологические свойства микробов определяются качеством синтезируемых клеткой белков. В бактериальной клетке присутствуют и протеины, и протеиды. В состав белков бактерий входят и аминокислоты, не имеющиеся в клетках животных и растительных организмов.
Белки выполняют самые разнообразные функции: структурную, транспортную, регуляторную, питательную. Двигательную функцию выполняют белки жгутиков. Расщепление белков и утилизация аминокислот в процессе энергетического обмена сопровождаются освобождением энергии и ее запасанием в виде АТФ - энергетическая функция. Каждый организм синтезирует свои собственные белки, их состав и количество могут изменяться в течение жизни. Белки в организме постоянно обновляются, это их свойство лежит в основе обмена веществ (метаболизма). Однако наиболее важной следует признать каталитическую функцию белков-ферментов, которые принимают участие во всех химических реакциях живых организмов.