Строение бактериальной клетки. Строение бактериальной клетки
 Скачать 33.05 Kb.
|
|
Строение бактериальной клетки. Различают внешние и внутренние структуры бактерий. К внешним структурам относятся 14 клеточная стенка, а также капсулы, жгутики, пили или фимбрии. Под клеточной стенкой находится цитоплазматическая мембрана. Внутреннее содержание бактериальной клетки представлено цитоплазмой, в которой находится нуклеоид, рибосомы, мембранные структуры и разнообразные включения. Капсулы. Клетки большинства бактерий окружены слизистым слоем – капсулой. Капсулы содержат до 98% воды. Они защищают клетку от высыхания и механических повреждений, от действия токсинов, солнечной радиации и других неблагоприятных факторов. Наличие капсулы расширяет область распространения и выживаемость бактерий. Некоторым бактериям слизистый слой помогает передвигаться путем скольжения. Встречаются макрокапсулы с толщиной слоя более 0,2 мкм, микрокапсулы – менее 0,2 мкм, а также слизистый слой и растворимая слизь. По химическому составу капсулы можно разделить на 2 типа: полисахариды и полипептиды. Существуют капсулы с высоким содержанием липидов, гетерополисахаридов и других веществ. Некоторые бактерии, например, уксуснокислые, способны синтезировать своеобразную капсулу, состоящую из аморфной массы молекул целлюлозы. Жгутики. Бактерии передвигаются с помощью особых нитевидных структур – жгутиков. Число и форма жгутиков не одинаковы у разных видов бактерий. Клетка может иметь один жгутик (монотрих), пучок жгутиков на одном конце (лофотрих), жгутики на обоих концах клетки (амфитрих), много жгутиков, расположенных по всей поверхности клетки (перитрих). Толщина 15 жгутиков колеблется от 12 до 20 нм, длина – 10-20 мкм. В строении жгутика можно выделить нить, крюк и базальное тельце, расположенное под цитоплазматической мембраной. Жгутиковая нить состоит из белка флагеллина. Белковые молекулы собраны в спиральные цепи, закрученные вокруг полой середины. Крюк жгутика – изогнутый полый цилиндр, служит для подвижной связи нити с базальным тельцем. Вращательное или поступательное движение жгутика осуществляется в результате работы базального тельца, представляющего собой своеобразный «электромотор». Пили (фимбрии) – это длинные тонкие прямые нити. Они значительно короче и тоньше жгутиков, но более многочисленны (50-400 на клетку). Пили обнаружены как у подвижных, так и у неподвижных бактерий. Их длина – 1,5 мкм, толщина – 7 нм. Пили расположены по всей поверхности клетки и состоят из белка пилина. Пили помогают бактериям прикрепляться к субстрату или другим клеткам. Есть специальные половые F-пили; они имеют внутри канал, по которому ДНК из одной клетки может передаваться в другую при конъюгации бактерий. Пили, как и жгутики, не считаются обязательной структурой бактериальной клетки, так как без них бактерии могут расти и размножаться. Клеточная стенка – один из главных элементов структуры клетки. Она обладает определенной жесткостью и вместе с тем эластичностью. Функции клеточной стенки – придание формы, защита от действия механических и осмотических внешних воздействий. Клеточной стенке принадлежит важная роль в регуляции деления и роста бактерий. Толщина клеточной стенки 16 колеблется от 20 до 100 нм и составляет около 20% сухого вещества клетки. Благодаря наличию пор, клеточная стенка проницаема для крупных молекул. Главный структурный компонент клеточных стенок – пептидогликан муреин. Молекула пептидогликана представляет собой правильную сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, соединенных между собой короткими пептидами. Полисахаридные цепи состоят из чередующихся остатков N-ацетил-N-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных -1,4-связями. Пептиды состоят из аминокислот (L-аланина, D-аланина, D-глутаминовой кислоты, лизина и диаминопимелиновой кислоты). Строение повторяющейся Структура пептидогликана единицы пептидогликана клеточной стенки По строению клеточной стенки различают два основных типа бактерий. Было обнаружено, что если фиксированные клетки бактерий обработать сначала красителем кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуется окрашенный комплекс. При 17 последующей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки бактерии либо остаются окрашенными, либо обесцвечиваются. По имени датского ученого Х. Грама, предложившего такой способ окрашивания, бактерии, сохраняющие окраску, назвали Грам-положительными – Грам(+), а обесцвечивающиеся бактерии – Грам-отрицательными – Грам(–). Исследования показали, что клеточная стенка Грам(+) бактерий состоит из многослойного пептидогликана (40-60% сухой массы клеточной стенки), с которым соединяются вторичные полимеры – тейхоевые и тейхуроновые кислоты. У Грам(–) бактерий есть наружная мембрана, состоящая из фосфолипидов, липополисахаридов, липопротеинов и белков. Под наружной мембраной расположен слой, заполненный раствором жидких белков, олигосахаридов и неорганических соединений – периплазма. Под периплазмой находится тонкий слой пептидогликана, который составляет всего 10% от массы клеточной стенки. Цитоплазматическая мембрана служит главным барьером между цитоплазмой клетки и окружающей внешней средой. При разрушении цитоплазматической мембраны клетка погибает. Цитоплазматическая мембрана состоит из двойного слоя липидов, в который погружены молекулы белков. Основная масса мембранных липидов представлена фосфолипидами. Около 50% поверхности цитоплазматической мембраны составляют мембранные белки. Белки обеспечивают транспорт веществ из клетки и в клетку (транспортные), регулируют внутримембранные 18 и внутриклеточные процессы (ферменты), выполняют рецепторную функцию (рецепторы), участвуют в организации межклеточных контактов и служат для прикрепления внутриклеточных структур к мембране (структурные). Общая толщина мембраны составляет 7-8 нм. Цитоплазматическая мембрана контролирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Нередко мембрана образует впячивания внутрь клетки, приводящие к формированию особых структур – мезосом. Чаще всего они образуются в зоне образования клеточной перегородки при делении клеток и поставляют материал для построения новой клеточной стенки. На цитоплазматической мембране и мембранах мезосом локализованы ферменты, которые обеспечивают клетку энергией, контролируют обмен веществ, фото- и хемосинтез, фиксацию азота и другие процессы. Увеличение поверхности мембран дает возможность для размещения большего количества ферментов, делает работу клетки более активной и упорядоченной. С цитоплазматической мембраной и мезосомами бактерий связаны и многие другие функции: биосинтез клеточной стенки и капсулы, выделение экзоферментов, деление, спорообразование. Цитоплазма. Под цитоплазматической мембраной находится 19 цитоплазма. Она состоит из цитозоля и структурных элементов. Цитозоль – это коллоидная система, состоящая из воды, белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других веществ, соотношение которых варьирует в зависимости от вида и возраста бактерий. Цитозоль служит поддерживающей средой для структурных элементов. Структурные элементы бактериальной клетки представлены рибосомами – круглыми или удлиненными тельцами из РНК (60%) и белка (40%). На рибосомах осуществляется синтез клеточных белков. Включения – необязательные непостоянные структуры клетки; подразделяются на трофические (запас питательных веществ в клетке – липиды, гликоген); секреторные (секреторные продукты клетки); экскреторные (отработанные ненужные вещества, хранящиеся внутри клетки); пигментные (гемоглобин, гемосидерин, меланин, липофусцин). Включения имеют вид гранул или пузырьков. Нуклеоид. В цитоплазме бактериальной клетки расположен нуклеоид – зона, содержащая ДНК. Бактериальная ДНК представляет собой свернутую в кольцо нить, называемую бактериальной хромосомой. ДНК бактерий не отделена от остальной цитоплазмы мембраной. Это отличительное свойство прокариот – организмов, не имеющих оформленного ядра. ДНК нуклеоида в нескольких местах связана с цитоплазматической мембраной. Нуклеоид бактерий – основной носитель информации о свойствах клетки и основной фактор передачи этих свойств потомству. В покоящейся бактериальной клетке один нуклеоид. 20 Клетки в фазе, предшествующей делению, имеют два нуклеоида; в фазе активного размножения может быть четыре и более нуклеоидов. Кроме нуклеоида в цитоплазме бактериальной клетки могут находиться в сотни раз более короткие кольцевые нити ДНК – плазмиды. Присутствие плазмид обеспечивает дополнительные полезные свойства, например, устойчивость к токсинам, производство антибиотиков, возможность обмена генетической информацией между бактериями. 6.6. Производство аминокислот Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов. Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем химического синтеза, так как при биологическом синтезе используемые микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически активной L-форме. Так, продуцентами лизина являются Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода Corynebacterium, также предложены способы биотехнологического получения изолейцина, треонина при использовании E. coli. Большинство исследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. За рубежом 60% мощностей по производству аминокислот занимают глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. Глутаминовая кислота производится при участии в качестве продуцента штамма Corynebacterium. 94 Способы ______________получения аминокислот Одноступенчатый – при этом мутантный полиауксотрофный штамм-продуцент аминокислоты культивируют на оптимальной для биосинтеза среде. Целевой продукт накапливается в культуральной жидкости, из которой его выделяют. Двухступенчатый – при этом на первой ступени микроб- продуцент аминокислоты культивируют в жидкой питательной среде. Там происходит биосинтез предшественников аминокислоты (заготовка) и ферментов, которые катализируют образование целевого продукта. На второй ступени целевой продукт (аминокислота) синтезируется с помощью этих ферментов. Микробиологическое производство L-глутаминовой кислоты. глутаминовая кислота Это заменимая аминокислота, но на её основе синтезируются многие БАВ, которые необходимы для нормальной жизнедеятельности человека. Глутамат натрия применяется как добавка к пище для улучшения её вкусовых качеств. В медицине глутаминовая кислота используется при лечении заболеваний, связанных с отравлением печени и почек. В наибольших количествах микробиологическим путем получают глутаминовую кислоту с помощью ауксотрофных мутантов рода Corynebaсterium и др. Известны методы получения глутамата на этанольных средах (до 60 г/л ) и на ацетате (до 98 г/л). В основе сверхсинтеза глутаминовой кислоты из глюкозы у 95 этих бактерий лежат два биохимических принципа: недостаток -кетоглутаратдегидрогеназы (включает предшественник глутаминовой кислоты в цикл трикарбоновых кислот); блокировка биосинтеза биотина – при этом нарушается нормальный синтез фосфолипидов мембраны и она становится более проницаемой для глутамата. Одноступенчатый способ получения L-глутаминовой кислоты. Посевной материал получают в строго асептических условиях в течение суток. Состав питательной среды для промышленных штаммов Corynebaсterium glutamicum при производстве посевного материала (в %): меласса – 8, кукурузный экстракт – 0,3, хлорид аммония – 0,5, фосфат калия двухзамещенный – 0,05, сульфат магния – 0,03, вода – до 100%; pH среды 7,0-7,2. Накопление биомассы производят в аэробных условиях сначала в инокуляторах объёмом 2 м3, потом в посевных аппаратах объёмом 5 м3 (до 6-8 г ACB/л). На стадии биосинтеза в питательную среду вводят до 2% мочевины, до 1% мела и до 0,1% синтетического пеногасителя; содержание мелассы увеличивают до 20%. Биосинтез осуществляют в строго асептических условиях в ферментаторах объёмом 50м3 с коэффициентом заполнения аппарата 0,7 в течение 48-52 ч и интенсивной аэрации. Температура культивирования на всех стадиях – 28-30°С. В конце процесса культуральная жидкость содержит до 45 г/л глутаминовой кислоты. Выход её по отношению к потребленным 96 сахарам составляет 45-50%. Для получения глутаминовой кислоты в качестве пищевой добавки или в виде лекарственных форм технологическую схему добавляют следующими этапами: Предварительная обработка культуральной жидкости – добавление негашеной извести или известкового молока, последующее осаждение ионов кальция фосфорной кислотой. Осадок способствует лучшему отделению клеток продуцента и других балластных примесей. Отделение осадка – центрифугирование, фильтрация под давлением. Осветление фильтрата – активированный уголь, ионнообменная сорбция на анионите. Концентрирование осветленного раствора – вакуум- выпаривание при 40-60°С. При этом из исходного раствора отгоняется 50-80% воды. Осаждение кристаллов глутаминовой кислоты в изоэлектрической точке (рН 3,2) – подкисление концентрата соляной кислотой и охлаждение раствора до 4-15°С. Многократная перекристаллизация позволяет увеличить чистоту кристаллов до 99,6%. Отделение кристаллов глутаминовой кислоты от маточника – центрифугирование, декантанция и возврат маточника на стадию вакуум-выпаривания. Затем кристаллы промывают обессоленной водой. Сушка – в вакууме или в токе нагретого воздуха при 60-70 °С. 97 Получение глутамата натрия – влажные кристаллы неперекристаллизованной глутаминовой кислоты обрабатывают гидроксидом натрия с последующими этапами согласно НТД. Глутамат натрия пищевой должен иметь следующий состав (в %): основное вещество – не менее 94, хлорид натрия – не более 5, влага – не более 1, общий азот – не менее 7,02. Двухступенчатый способ получения L-глутаминовой кислоты. Для этого используют два варианта: трансаминаза 1. -КГ + аминокислота L-глутаминовая кислота + - кетокислота глутаматдегидрогениза 2. -КГ + NH4 + + HAДH2 L-глутаминовая кислота + Н2О + НАД+ Продуценты – Pseudomonas, Escherichia, Kluyverd citrophila и Candida. Продуценты ферментов – различные микроорганизмы, например, E. coli. Доноры аминогрупп – аспарагиновая кислота или аланин. Завершающие стадии процесса производства аминокислот – фасовка в полиэтиленовые мешки, упаковка и складирование готового продукта. Технология получения L-лизина и кормовых препаратов на его основе – принципиально аналогичная. Лизин в организме человека и животных определяет биологическую ценность поступающего белка, способствует секреции пищеварительных ферментов и транспорту кальция в клетки, улучшает азотистый баланс. 98 лизин Практически весь производимый лизин расходуется на обогащение кормов сельскохозяйственных животных и птицы: жидкий концентрат лизина, кормовой концентрат лизина, высококонцентрированные кормовые препараты лизина. Технология производства L-аспарагиновой кислоты (сырье – фумаровая кислота и аммиак): выращивание клеток методом глубинной ферментации и их выделение центрифугированием; иммобилизация бактериальных клеток (биокатализаторов), которые обладают аспартазной активностью и катализируют присоединение аммиака по двойной связи фумаровой кислоты, в геле в виде гранул размером 2-3 мм. Время полуинактивации таких клеток составляет 4 мес.; биотрансформация фумарата аммония в колонке с катализатором в проточном режиме и получение L-аспарагиновой кислоты; кристаллизация, центрифугирование и промывка кристаллов.__ |