Учебное пособие, Царев. Практикум по дисциплине Основы микробиологии. Предназначено для бакалавров направления 18. 03. 02 Энерго и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии
 Скачать 2.32 Mb.
|
|
Движение бактерий. Среди бактерий есть как подвижные, так и неподвижные формы. Большинство подвижных бактерий активно передвигается только в жидкой среде. Исключение составляют микобактерии, способные к скользящему движению по твердому субстрату. Органами движения бактериям служат жгутики — длинные, очень тонкие нити, спиральные, волнистые или изогнутые. Длина их может во много раз превышать длину тела бактерии, достигая 10—30 мкм и более. Поперечный размер жгутиков составляет 0,01—0,03 мкм. Число и расположение жгутиков — характерный видовой признак. Некоторые виды бактерий имеют один жгутик (монотрихи), у других жгутики располагаются пучками на одном или обоих концах клетки (лофотрихи), у третьих покрывают всю поверхность клетки (перитрихи). К неподвижным формам относятся большинство кокков и некоторые палочковидные бактерии. Извитые бактерии все подвижны, из них только спирохеты не имеют жгутиков и передвигаются, изгибая тело. Спорообразование. Некоторые виды бактерий, главным образом палочковидные, способны образовывать споры, по своим (функциям аналогичные цистам простейших. Обычно спорообразование индуцируется неблагоприятными условиями среды: понижением содержания влаги, отсутствием питательных веществ, изменением рН и т. д. Спорообразование не является обязательной стадией развития спороносных бактерий. В клетке всегда образуется только одна спора. Процесс начинается с обезвоживания и уплотнения цитоплазмы в ядерной зоне и обособления этой зоны ДНК с помощью перегородки, образующейся из цитоплазматической мембраны. Затем на отсеченном участке цитоплазмы формируются двухслойная мембрана и оболочка споры, выполняющая защитные функции. Оболочка мало проницаема для воды и растворенных веществ и 39 обеспечивает большую устойчивость спор к внешним воздействиям. Споры многих болезнетворных бактерий сохраняют жизнеспособность в почве в течение нескольких лет. Особенность бактериальных спор — их высокая термостойкость. Например, спора сенной палочки выдерживает трехчасовое кипячение. Попадая в благоприятные условия, спора прорастает. Процесс превращения споры в растущую (вегетативную) клетку начинается с поглощения ею воды и набухания споры. При этом происходят глубокие физиологические изменения: усиливается дыхание и активизируются ферменты. В этот же период спора теряет свою термоустойчивость. Затем внешняя оболочка ее разрывается и из образовавшейся структуры формируется вегетативная клетка. Систематика бактерий. Основные морфологические признаки, используемые при классификации бактерий,— форма клетки, особенности ее строения, устройство двигательного аппарата, наличие спор, окрашивание по Граму. Однако простота строения клетки бактерий, ограниченность различий в перечисленных признаках не дают возможности создать на их основе соответствующую классификацию. Поэтому классификация бактерий базируется не только на морфологических, но и на функциональных признаках. Функциональные характеристики бактерий чрезвычайно разнообразны, к тому же далеко не всегда прослеживается корреляция между морфологическими и функциональными признаками. В силу этого создать единую иерархическую классификацию бактерий до сих пор не удалось. Из всех работ по классификации бактерий наибольшее распространение и авторитет имеет «Руководство Берги по определению бактерий», восьмое издание которого выпущено в 1974 г. Составители определителя преследовали цель создать руководство, позволяющее быстро идентифицировать бактерии по совокупности морфологических и культуральных (строение колоний, характер роста на жидких средах и т.д.) признаков и некоторых физиологических особенностей. 40 Все бактерии разделены на 19 групп, названия которых включают легко определяемые признаки. Например, группа 3 имеет название «Бактерии, образующие слизистую оболочку»; группа 5 — "Спирохеты"; группа 7 — "Грамотрицательные аэробные палочки и кокки"; группа 17-«Актиномицеты и родственные организмы» и т. д. В некоторых группах виды объединены в роды, которые описаны в случайной последовательности, в других роды сгруппированы в семейства и порядки. 1.3.3. Цианобактерии Цианобактерии — древнейшие обитатели Земли, представленные одноклеточными, колониальными и нитчатыми формами. Отличительная особенность цианобактерий — своеобразная сине— зеленая, оливково-зеленая, желто-зеленая или фиолетовая окраска, обусловленная уникальным набором светочувствительных пигментов. В тилакоидах цианобактерий кроме зеленого хлорофилла «а» обнаружены желтые каротиноиды, синий фикоциан и красный фикоэритрин. Количественные соотношения пигментов определяют цвет клетки и зависят от вида и условий обитания. Колониальные формы цианобактерий образуются путем слияния слизи отдельных клеток. Как правило, колонии не имеют определенной формы. У нитчатых форм клетки в пределах одной нити могут быть одинаковыми или разными по величине и форме. Сверху клетки нити покрыты общим слизистым чехлом. У некоторых видов нити способны ветвиться. Часто образуются гетероцисты, расположенные в нити через определенное число клеток. Гетероцисты происходят из вегетативных клеток, но по размеру значительно больше их. Они имеют плотную оболочку, но через поры сообщаются с соседними клетками. Предполагают, что гетероцисты — специализированные клетки, способные фиксировать азот. Для многих видов характерны гормогонии — многоклеточные участки, отделяющиеся от материнской нити и дающие начало новому организму. 41 Рис 3.3. Цианобактерии. А — Coelosphaerium kutzingianum, Б — Gloeoirtchia pisum, В — Anabaena affinis Цианобактериям свойственно образование спор. У одних видов споры, как у истинных бактерий, являются формой приспособления к неблагоприятным условиям В этом случае из одной клетки формируется только одна спора. У других цианобактерий споры, как у грибов, служат фор- мой размножения. В этом случае материнские клетки заполняются множеством мелких спор, освобождающихся при разрыве оболочки. Многие цианобактерии способны передвигаться, хотя обычные органы движения — жгутики — у них отсутствуют. Активное движение осуществляется за счет одностороннего выделения слизи. Распространены цианобактерии повсеместно. Их находят в больших и малых, соленых и пресных водоемах, в почве, на скалах, в пустыне и в Арктике. Такое широкое распространение связано прежде всего, с их чрезвычайной устойчивостью к действию неблагоприятных условий и уди- вительной нетребовательностью к питательным веществам. Некоторые представители цианобактерии показаны на рис. 3.3. 42 1.3.4. Ультрамикробы Рис. 3.4. Схема строения бактериофага Т-2. Объяснение в тексте Ультрамикробы — единственные представители живого мира, не имеющие клеточного строения. К ним относятся вирусы - внутриклеточные паразиты, поражающие клетки животных, растений и микроорганизмов. Особенность паразитизма вирусов заключается в том, что они действуют на генетическом уровне. Не обладая свойственной любой клетке способностью к синтезу белка, они внедряют в клетку свой генетический материал, в результате чего клетка начинает синтезировать вирусные частицы. Вне клетки вирусы существуют в виде вирионов — вирусных частиц, находящихся в покоящемся состоянии. Вирионы обнаруживаются в воздухе, почве, природной и сточной воде. Размер, форма и химический состав вирионов очень разнообразны. В вирусной частице различают две основные структуры: белковую оболочку — капсид и генетический материал вируса, представленный одной молекулой ДНК или РНК. Вирусы, поражающие микроорганизмы, называются фагами (буквально фаг — пожиратель). Бактериофаги паразитируют в клетках бактерий. На рис. 3.4 показана схема строения бактериофага. Фаг имеет головку 1, внутри которой заключена ДНК, полый стержень 2, покрытый чехлом 3, 43 базальную пластинку 4 и отростки 5. Отростки способствуют адсорбции фаговой частицы на поверхности клетки. У бактериофагов с таким строением чехол способен сокращаться. При его сокращении стержень проходит через клеточную стенку и мембрану, и фаг, действуя как шприц, впрыскивает свою ДНК внутрь клетки. Фаговая ДНК так перестраивает механизм обмена бактерии, что в ней начинают синтезироваться частицы фага. Через определенное время все содержимое клетки превращается в зрелые фаговые частицы, оболочка клетки растворяется и фаги выходят наружу. 1.4. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ 1.4.1. Элементный состав клетки На всех уровнях строения живых организмов в их состав обязательно входят 16 важнейших элементов: С, О, N, Н, Р, S, Fe, Сu, Na, К, Са, Mg, Со, Сl, I, Мn. Их называют элементами жизни. В клетках некоторых организмов обнаружены и другие элементы такие, как Zn, А1, Мо, Si. Ниже показан элементный состав сухого вещества клетки, (%) у широко распространенного и хорошо изученного вида бактерий Escherichia coli: Углерод 50 Натрий 1 Кислород 20 Кальций 0,5 Азот 14 Магний 0,5 Водород 18 Хлор 0,5 Количественные соотношения элементов в клетках различных микроорганизмов колеблются в достаточно широких пределах, особенно для элементов, следующих за водородом. Например, некоторые виды бактерий способны накапливать внутри клеток железо или серу, у других наблюдается повышенное содержание фосфора и т.д. Углерод, кислород, азот и водород — основные органогены, доля 44 которых в общей массе клетки может достигать 92—98%. Все четыре элемента обладают рядом общих свойств, из которых важнейшее — их способность образовывать ковалентные связи. Среди элементов, обладающих этим свойством, С, Н, О и N- самые легкие, что обусловливает самые прочные ковалентные связи. Посредством стабильных ковалентных связей С—С создаются каркасы различных органических веществ. Бесчисленное множество разнообразных химических соединений возникает благодаря способности атомов С, Н, О и N легко реагировать друг с другом, образовывать одинарные и двойные связи между углеродом, кислородом и азотом, ковалентные связи углерода с серой, вследствие чего в органические молекулы включаются различные функциональные группы. Наконец, важнейшая особенность углерода — его способность создавать стабильные молекулы с трехмерной структурой разнообразной пространственной конфигурации. Среди зольных элементов клетки важная роль принадлежит фосфору. Он входит в состав нуклеиновых кислот, целого ряда ферментов, участвует в реакциях энергетического обмена. С другими атомами фосфор соединяется эфирной связью через кислородный мостик—О—. В некоторых соединениях (АДФ, АТФ) по месту локализации атомов фосфора возникают связи, богатые энергией. Сера входит в состав белков в виде групп — SH,— S —, —S—S—. Сульфгидрильные группы обладают высокой реакционной способностью, их переход в дисульфидные группы и обратно, сопровождающийся переносом атомов водорода, имеет большое значение в окислительно- восстановительных процессах в клетке. Содержание металлов в клетке относительно невелико, но функции их чрезвычайно важны. В цитоплазме металлы присутствуют в виде комплексов с органическими молекулами. Основная функция большинства металлов — усиление каталитической активности ферментов. 45 1.4.2. Вода Вода играет важную роль в жизни любого организма. На ее долю приходится основная часть массы клетки. Бактериальные клетки содержат 75—90% воды. На одну белковую молекулу в них приходится около 10 тыс. молекул воды. В клетках плесневых грибов 85—88% воды, у некоторых простейших эта величина достигает 95%. Чем моложе клетка, тем больше она содержит воды. В спорах бактерий и цистах простейших воды значительно меньше, чем в растущих (вегетативных) клетках. Часть воды в клетке связана с коллоидами и входит в состав внутриклеточных органелл (рибосомы, митохондрии и т. л.), являясь, таким образом, структурным элементом клетки. Полярная природа молекул воды обусловливает ее способность растворять и диспергировать самые разнообразные вещества. Вода — дисперсионная среда для коллоидов цитоплазмы и растворитель ряда органических и минеральных веществ. Она служит не только средой для многочисленных и разнообразных биохимических процессов, но и сама при- нимает участие в таких реакциях, как гидролиз, окисление и т. д. При низкой вязкости и способности растворять различные вещества вода выполняет и транспортные функции: обеспечивает поступление питательных веществ внутрь клетки и вывод продуктов жизнедеятельности из нее. Вследствие высокой теплоемкости клеточная вода способна до некоторой степени поддерживать постоянство температуры клетки при изменении температуры окружающей среды. 1.4.3. Органические компоненты клетки Сухое вещество клетки на 85—97% состоит из органических веществ, остальные 3—15% приходятся на долю зольных элементов. Органическое, или беззольное, вещество клетки состоит из четырех основных компонентов: белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов. Молекулярная масса этих соединений достигает 10 3 —10 9 . Исключение 46 составляют липиды, однако и они способны образовывать структуры с вы- сокой молекулярной массой. Белки. Белки — основной компонент всех клеточных структур, основа жизни. Содержание белков в клетке составляет 50— 80% от сухого вещества. Белковые соединения в клетке представлены простыми белками — протеина- ми и сложными — протеидами. Структурными элементами, или «строительными блоками», из которых образуются протеины, являются 20 аминокислот с общей формулой: R | NH 2 — СН— СООН Они отличаются друг от друга только структурой боковых цепей (R) Первичная структура белка образуется в результате последовательного соединения аминогруппы одной кислоты и карбоксильной группы другой с выделением воды. Так формируются длинные цепочки полипептидов, состоящие из десятков и сотен аминокислотных остатков: R 1 R 2 R n | | | NH 2 — СН— СО—NH —СН— СО—...— NH—СН— СООН Каждому типу белка соответствует определенная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Связь СО — NH называют пептидной. Полипептидные цепи имеют спиральную структуру, стабилизированную водородными связями, образующимися между атомами водорода и кислорода. Белковые молекулы имеют трехмерную структуру, в которой пространственное взаиморасположение участков полипептидной спирали фиксируется связями типа —S—S—. Сложные белки — протеиды — имеют в своем составе небелковый компонент. В зависимости от его природы различают: нуклеопротеиды (небелковая часть — нуклеиновая кислота), липопротеиды (небелковая часть — липиды), глюкопротеиды (небелковая часть — углевод), металлопротеиды 47 (небелковая часть — металл). Благодаря присутствию в полипептидах кислых и основных групп, белки обладают амфотерными свойствами. К числу функциональных групп кислого характера относятся концевая карбоксильная группа —СООН пептидной цепи и группы — SH, —ОН, —СООН, присущие радикалам. Основной характер имеют концевая аминогруппа —NH 2 , амино- и некоторые другие группы радикалов. В водных растворах эти группы ионизированы, в результате чего молекула белка приобретает отрицательный или положительный заряд. Степень ионизации зависит от значения рН. При из- менении величины рН пептиды могут действовать либо как доноры, либо как акцепторы иона -водорода, обеспечивая таким образом буферность системы. Значение рН, при котором степень ионизации кислых и основных групп одинакова и заряд белковой молекулы равен нулю, называется изоэлектрической точкой. Каждому белку присуще определенное значение рН, при котором наступает изоэлектрическое состояние. В изоэлектрической точке белки наиболее легко осаждаются. Под влиянием высокой температуры, экстремальных значений рН и других факторов полипептидная цепь может раскручиваться без нарушения пептидных связей. Такой процесс называют денатурацией. Денатурированный белок теряет свою биологическую активность. Нуклеиновые кислоты. На долю нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, в клетках различных микроорганизмов приходится 5—30% массы сухого вещества. «Строительными блоками» нуклеиновых кислот служат мононуклеотиды. Мононуклеотиды ДНК имеют в составе одно из пуриновых (аденин, гуанин) или пиримидиновых (тимин, цитозин) оснований, сахар, дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты: 48 Молекула ДНК представляет собой полимер, построенный из сотен и тысяч мононуклеотидов четырех типов, связанных в различной последовательности. Именно этой последовательностью определяется смысл генетической информации, которую несет молекула ДНК. Молекула ДНК состоит из двух нитей полинуклеотидов, закрученных в виде спирали одна вокруг другой. Азотистые основания расположены внутри спирали, и нити связаны между собой водородными мостиками, образованными между азотистыми основаниями, обращенными друг к другу. При этом против аденинового нуклеотида одной нити всегда встает тиминовый нуклеотид другой нити, а гуанин соединяется только с цитозином. Это объясняется геометрическим соответствием их молекул и возможностью образования вследствие этого водородных связей. Такие основания называются комплементарными. В процессе репликации (удвоения) молекулы ДНК спираль расплетается и на обеих нитях разошедшейся спирали синтезируются дочерние нити в полном соответствии с информацией, заложенной в нитях исходной молекулы ДНК. Клетки прокариот имеют только одну молекулу ДНК, молекулярная масса ее более 2▪10 9 , а длина может превышать 1 мм. Так, у Escherichia coli длина молекулы ДНК составляет 1,53 мм. РНК отличается от ДНК прежде всего структурой молекулы, представляющей собой не двойную, а одинарную спираль нуклеотидов. Кроме того, вместо дезоксирибозы РНК содержит похожую на нее 49 сахарорибозу, а вместо тимина — похожее на него азотистое основание урацил. По сравнению с ДНК молекулярная масса РНК существенно ниже и колеблется в пределах от десятков тысяч до миллионов. Клетки содержат три вида рибонуклеиновой кислоты: информационную (иРНК), транспортную (тРНК) и рибосомную (рРНК). иРНК синтезируется на нитях ДНК. При этом информация, заложенная в ДНК, как бы «переписы- вается» на молекулы иРНК, синтезирующиеся по принципу комплементарности. нРНК поступают в рибосомы, т. е. к месту синтеза белка, и прикрепляются к ним. Туда же с помощью тРНК поступают аминокислоты. В результате контакта нРНК и тРНК с захваченной аминокислотой в рибосоме синтезируются молекулы белка. Рибосомы и |