Изучение химического состава микроорганизмов

Введение

микробный клетка молекула органоген Микробиология в своем развитии всегда опиралась на химическую и биохимическую основы. Перед изучением механизмов, с помощью которых микроорганизм синтезирует составные части клетки, необходимо установить тип молекул, идущих на построение клеточного материала этих организмов. Так, самостоятельной наукой стала признана химическая микробиология — наука, изучающая химический состав, строение, топологию, функции свободных и конъюгированных молекул, а также обмен веществ прокариот и эукариот. Клетки последних имеют существенные различия по своей структуре, а следовательно — и по химическому составу.

К прокариотическим микроорганизмам относят бактерии. Они не имеют оформленного ядра и других внутренних мембранных органелл. Ядерный аппарат прокариот представлен в форме крупной кольцевой двухцепочечной молекулы ДНК, не отделенной от цитоплазмы мембраной, — нуклеоида. К эукариотическим относят многоклеточные ядерные микроорганизмы (представители Fungi, Plantae и Animalia) и одноклеточные ядерные микроорганизмы (сборная группа протистов). Они имеют оформленное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной, а сама клетка разделена на специализированные компартменты.

Целью данной работы является изучение химического состава микроорганизмов. Основные задачи заключаются в рассмотрении природы молекул тех веществ, из которых построены основные компоненты клетки, также в анализе взаимосвязи между строением компонентов клетки и выполняемыми ими функциями, определении различий в химическом составе эукариотических и прокариотических организмов: стереохимическое различие аминокислот, строение дезоксирибонуклеиновой кислоты и др.

Объектом изучения являются простые и сложные неорганические и органические вещества, входящие в состав микробной клетки. Так, в данной работе будут рассмотрены основные химические элементы, которые входят в состав веществ клетки, малые и большие свободные и конъюгированные молекулы.

Знания о химическом строении микробных клеток нередко используются в смежных химической микробиологии дисциплинах для выявления и подтверждения некоторых общебиологических закономерностей (о строении мембран, генетического аппарата, обмене веществ). Самые сложные физиологические процессы в клетке могут быть объяснены с физико-химических позиций.

Исследование химического состава микроорганизмов имеет важное теоретическое и прикладное значение, помогает проникнуть в организацию живой материи с целью получить необходимые для практики вещества: пищевые, лечебные, вспомогательные и др. Изучение организации генетического аппарата микробных клеток необходимо для понимания закономерностей наследования признаков и свойств организма в ряду поколений, в генно-инженерных работах, в становлении и развитии новых производств. Развитие иммунохимии также связано с исследованиями строения на молекулярном уровне различных патогенных микроорганизмов, изучение химической активности различных микробов дает возможность развивать химиотерапию инфекционных заболеваний.

1. Минеральный состав микробной клетки

1.1 Органогены Микробы, как и все прочие организмы, возникли в процессе эволюции из элементов, широко представленных на Земле. Меньшее или большее количество этих элементов обычно обнаруживается в микробных клетках. Из 110 известных в настоящее время химических элементов в состав живого вещества чаще всего входят только 22, из них лишь 16 элементов встречаются во всех группах организмов. К основным элементам (органогенам) относятся азот, водород, кислород и углерод, на них приходится от 2 до 60 атомных долей, %. Они существуют в различных соединениях в молекуле и в свободном состоянии [1, 2].

Углерод составляет 45−55% сухого остатка клетки, кислород — 25−30%, азот 8−15% и водород — 6−8%. Эти органогены служат материалом, из которого построены все составляющие компоненты клетки: нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы, ферментные системы и т. д.

Водород входит в состав воды и органического вещества клетки. Кислород входит в состав воды и органического вещества клетки, в виде О2 служит акцептором электронов при дыхании аэробных организмов. Углерод входит в состав органического вещества клетки. Азот входит в состав белков, нуклеиновых кислот, коферментов [4, 5].

Основные элементы обладают рядом примечательных свойств: 1) они самые легкие среди элементов, способных образовывать прочные ковалентные связи благодаря спариванию электронов (прочность ковалентной связи находится обычно в обратно пропорциональной зависимости от атомных весов элементов); 2) легко взаимодействуют друг с другом; 3) азот, кислород и углерод могут образовывать одинарные и двойные связи, благодаря которым резко приумножается число образуемых ими соединений; 4) углерод способен образовывать тройные связи с другими атомами углерода и азотом; 5) углерод может образовывать углерод-углеродные связи, благодаря чему возможно формирование бесчисленного количества разнообразных органических молекул; 6) соединения углерода обладают различной трехмерной структурой благодаря образованию тетраэдрической конфигурации вокруг каждого атома углерода за счет спаренных электронов.

1.2 Микроэлементы Группу микроэлементов составляют калий, кальций, магний, натрий, сера, фосфор, хлор; на них приходится от 0,02 до 0,1 атомных долей, %. Микроорганизмы используют металлы в форме катионов неорганических солей. Содержание минеральных солей в клетке варьирует в зависимости от состава питательной среды и возраста культуры. Минеральные соли составляют 2−30% сухого остатка микробов. В молодых клетках их в 6−7 раз больше, чем в старых [1, 4].

Сера необходима для синтеза аминокислот цистеина и метионина, а также для некоторых коферментов (КоА, кокарбоксилаза). Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, тейхоевых кислот и таких нуклеотидов, как АТФ, ГТФ, НАД и ФАД. Катионы калия — одни из главных неорганических катионов клетки, кофактор для некоторых ферментов, важен для синтеза белка. Магний учавствует в активировании определенных ферментов (гексокиназа), играет важную роль в регуляции степени агрегации рибосомных частиц, входит в состав хлорофиллов. Так, большинство биологически активных фосфорных эфиров содержатся в клетках в виде комплексов с магнием. Кальций — важный катион клетки и эндоспор бактерий, кофактор для некоторых ферментов [5, 6, 7].

1.3 Ультрамикроэлементы Ультрамикроэлементы — бор, ванадий, железо, кобальт, кремний, марганец, медь, молибден, цинк — составляют менее 0,001 атомных долей, %. Ионы железа необходимы для синтеза железопорфириновых ферментов (каталазы), являются компонентами металлокомплексов, входят в состав компонентов дыхательной цепи (цитохромы, железосерные белки). Цинк необходим для действия алкогольдегидрогеназы, щелочной фосфатазы, альдолазы, РНКи ДНК-полимераз. Некоторым микроорганизмам для роста необходимы редкие элементы. Так, азотобактер не может связывать (фиксировать) азот из атмосферы при отсутствии молибдена или ванадия. Марганец — неорганический кофактор для некоторых ферментов, иногда может заменить магний. Кобальт входит в состав цианкобаламина и его производных, служащих коферментами [1, 4, 6, 7].

Все перечисленные выше элементы образуют молекулы, которые можно подразделить на две условные группы: малые и большие молекулы. К первым относят молекулы-предшественники, поступающие в клетку извне: Н2О, СО2, N2, Mg2+, Ca2+, NO3-, SO42-, PO43-, Cl-, K+ и другие ионы; промежуточные молекулы органических кислот, рибозы; молекулы таких строительных блоков, как аминокислоты, мононуклеотиды, монозы и низшие олигозы (простые сахара), глицерин, жирные кислоты. К большим молекулам или макромолекулам относят нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и липиды. Все они являются молекулами полимеров.

2. Малые молекулы

2.1 Вода Вода составляет 80−90% веса в разных клетках микроорганизмов.

Вода, которая свободно располагается в клетке, нужна бактериям как растворитель органических и неорганических веществ; дисперсионная среда для коллоидов; источник водородных и гидроксильных ионов; фактор осмотического давления (тургор клетки).

С водой, как главным химическим компонентом структуры, связаны основные процессы жизнедеятельности бактериальной клетки — питание, дыхание, рост и размножение. Все химические реакции, протекающие в живых организмах, требуют присутствие воды в окружающей среде. Более того, она должна находиться в доступной для микроорганизмов форме, то есть в жидкой фазе, и это ограничивает биологическую активность температурами, лежащими в области от -2^о (или ниже в растворах с высоким осмотическим давлением) до примерно 100^о; эта область известна как биокинетическая зона [2, 8].

Вода может находиться в свободном (в цитоплазме) или связанном состоянии. Свободная вода является средой, в которой происходит разнообразие биохимических реакций (расщепление и синтез веществ) вследствие действия гидролитических ферментов. В ней наблюдается движение ионов, она выступает растворителем многих веществ, которые попадают в клетку, обеспечивает коллоидное состояние цитоплазмы.

Связанная вода — тоже нужный компонент цитоплазмы, но она не может служить растворителем. Потеря клеткой воды приводит к ее гибели.

Для оценки состояния воды в клетке важным является принцип использования энергии связи, которым вода ассоциирована со структурами и метаболитами клетки. Исходя из этого, может быть предложено три типа связи.

1) химически связанная вода. В этом случае энергии связи достигает наибольшего значения. Практически эта вода не убирается, если не использовать специальные методы. При тепловом высушивании она сохраняется в клетках;

2) вода, которая имеет физико-химическую форму связи. К такой воде относится адсорбционно и осмотически связанную воду. Адсорбционно связанная вода образует, как правило, мономолекулярный шар. По свойствам она отличается от обычной воды. Так, в адсорбционно связанной воде не растворяются те вещества, которые растворяются в обычной воде. Удельная теплоемкость адсорбционно связанной воды меньше единицы, замерзает такая вода при температуре значительно ниже ноля. Часть такой воды не замерзает даже при температуре -78^оС. Адсорбционно связанная вода имеет повышенную плотность.

Количество осмотически связанной воды значительно выше от адсорбционно связанной. За физико-химическими свойствами осмотически связанная вода не отличается от обычной свободной воды. Содержание осмотически связанной воды регулируется благодаря структурным и функциональным особенностям цитоплазматической мембраны и зависит от концентрации растворимых компонентов клетки, особенно минеральных веществ. Осмотически связанная вода может быть удалена при высушивании биомассы;

3) механически связанная вода. Она, как правило, не входит в состав самой клетки и легко удаляется из биомассы при фильтрации под вакуумом при слабом нагревании [3, 4, 7].

Молекулы воды легко взаимодействуют, образуя межмолекулярные водородные связи. Энергия водородной связи равна 88,89 кДж/моль, что значительно меньше энергии ковалентной связи между кислородом и водородом (377,1 кДж/моль), но больше индукционных дипольных и дисперсных сил (или ван-дер-ваальсовых сил). Это важно для структуризации определённых молекул и их функционирования в живых системах микробных клеток. Например, в виде гидратных оболочек вода экранирует противоположно спряженные молекулы и способствует их стабилизации в дисперсионной среде. Это в равной мере относится к гидратационной воде, располагающейся вокруг ионов. Вода имеет высокие показатели диэлектрической проницаемости, поверхностного натяжения и теплоемкости, благодаря которым она выступает растворителем для многих веществ, электростатическим и тепловым буфером. Как диэлектрик вода растворяет неорганические соли, диссоциирующие на ионы; она растворяет алифатические спирты и кислоты, многие ароматические и гетероциклические производные.

Высокое поверхностное натяжение воды отражает способность противостоять резким колебаниям внутренней среды при попадании в нее каких-либо других веществ.

Высокая теплоемкость воды предохраняет клеточные структуры от термической инактивации в допустимых пределах [1, 9].

Цитоплазма клеток различных микробов обладает выраженными буферными свойствами, поэтому возможные колебания рН во внешней среде не очень заметно отражаются на показателях рН цитоплазмы.

Это связано с тем, что вода усиливает диссоциацию слабых электролитов или полиэлектролитов, каковыми являются макромолекулы живых клеток [1, 10].

2.2 Диоксид углерода Из числа малых молекул роль СО2 значительна. В молекуле СО2 все три атома приобретают октет электронов.

Цианобактерии, зеленые и красные водоросли обладают способностью использовать СО2 в качестве единственного источника клеточного углерода.

Эти организмы, называемые автотрофами (самопитающимися), относятся к различным эволюционным ветвям прокариот.

Процесс автотрофной ассимиляции СО2 описывается уравнением:

СО2 + 4Н+ + nАТР > (СН2О) + Н2О + nАDР + nРi ,

где (СН2О) представляет собой клеточное углеродное соединение со средней степенью окисления, равной нулю, то есть соответствующей степени окисления углерода в углеводах. Для восстановления углерода одной молекулы СО2 до степени окисления углерода в составе клеточных органических соединений требуется четыре электрона и дополнительная энергия [1, 11].

Для пурпурных и зеленых бактерий в отличие от цианобактерий донором электронов выступают сероводород и газообразный водород; или для пурпурных — органические соединения. Эти микроорганизмы являются автотрофными.

Гетеротрофы также потребляют СО2, но лишь в небольшом количестве, как субстрат отдельных метаболических реакций.

2.3 Азот Для того чтобы организм мог синтезировать аминокислоты (и белки), пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды, а также некоторые витамины, в среде должны присутствовать доступный для этого организма источник азота.

Во многих местах обитания азот в связанной форме отсутствует, и здесь могут фиксировать атмосферный азот (диазотрофия) путем восстановления его до аммиака [8, 11].

Способность микроорганизмов фиксировать газообразный азот изучалась в течение многих лет, главным образом в связи с возможным значением этого процесса для увеличения плодородности почвы. Долгое время полагали, что способность фиксировать азот ограничивается небольшим числом бактерий (Azotobacter, Clostridium и Rhizobium spp.), а также сине-зелеными водорослями, но последние работы показали, что это свойство распространено среди микроорганизмов гораздо шире. Было установлено, что азот фиксируют штаммы Achromobacter, Nocardia и Pseudomonas; азотфиксирующие грибы представлены видами Pollularia. Одной из наиболее активных азотфиксирующих бактерий является Aerobacter aerogenes (при выращивании ее в анаэробных условиях) [8, 13].

Азотфиксаторы — симбионты, ризобактерии и актиномицеты — выявлены в клубеньках бобовых растений, болотного мирта, лоха, облепихи, ольхи.

Представителями симбионтов являются лишайники, в которых цианобактерии и зеленые водоросли фиксируют молекулярный азот и трансформируют его в более сложные азотистые соединения клетки.

2.4 Неорганические соли Атомы азота существуют в естественных условиях в состоянии различной степени окисления, начиная от +6 (NO3) до -3 (NH4+). Микроорганизмы обычно предпочитают ионы аммония, поскольку атом азота включается в органические соединения именно в этом виде. Нитрат (NO3-; состояние окисленности +5) может использоваться многими водорослями и грибами и, хотя и не так широко, бактериями и дрожжами.

Нитратный азот восстанавливается при участии фермента нитратредуктазы, а затем при участии нитритредуктазы нитрит восстанавливается до NH3 [8, 9, 11].

В клетках живых организмов фосфор присутствует в форме фосфатов. Для обеспечения роста микроорганизма в окружающей среде должны присутствовать фосфаты, которые играют роль буферных веществ: так, с помощью фосфатов калия (КН2РО4 и К2НРО4) в соответствующих концентрациях можно получить любое значение рН в диапазоне 4,5 до 8,0. Источником фосфатов в естественных средах, таких, например, как питательный бульон, служат в основном нуклеиновые кислоты, которые присутствуют в компонентах, используемых для приготовления среды [8, 11].

Большинство микроорганизмов использует серу из окружающей среду в форме сульфат-иона SO42-. В этом ионе атом серы находится в состоянии окисленности +6 и должен быть восстановлен организмом до состояния -2 (как вSH-группе). Этот процесс известен как ассимиляционная сульфатредукция в отличие от гораздо менее широко распространенного процесса диссимиляционной сульфатредукции, при котором сульфаты используются в качестве конечных акцепторов электронов. Тиосульфат (S2O32-) также может служить единственным источником серы для многих микроорганизмов: полагают, что этот ион может при восстановлении превращаться в сульфит и далее в сульфид. Некоторые микроорганизмы утратили способность восстанавливать сульфаты и нуждаются в соединениях, содержащих атом серы в восстановленной форме (как, например, сероводород, цистеин) [8, 9].

Некоторые из элементов встречаются в форме оксианионов, таких как SeO3- (селенит), WoO42- (вольфрамат) и MoO42- (молибдат). В клетках они подвергаются ферментативному восстановлению, приобретая валентность, необходимую для ассимиляции.

Неорганические соли магния, кальция, калия и др. необходимы для синтеза молекул — строительных блоков, а также для ускорения разнообразных каталитических процессов.

Замечено, что металлы с атомным весом более 55 не активируют деятельность биокатализаторов. Катионы ртути и серебра токсичны для большинства микробов.

По отношению к неорганическим солям в среде микроорганизмы подразделяют на крайние галлофилы, умеренные галофилы, морские организмы и негалофилы, которые выдерживают соответственно следующие концентрации NaCl: 5−36% (насыщенный раствор); 0−20,5%; 0,1−5% и 0−4%. Крайне галофильные микроорганизмы являются облигатными аэробами и обычно окрашены в красно-оранжевый цвет. Для всех представителей этой группы характерна специфическая потребность в хлористом натрии. Умеренно галофильные микроорганизмы также имеют специфическую потребность в NaCl. К ним относятся Achromobacter, Pseudomonas, Lactobacillus, а также некоторые простейшие. Морские микроорганизмы характеризируются специфической потребностью в Na+ [1, 8].

Небольшие молекулы и ионы поддерживают оптимальный уровень обмена веществ в клетках, они вносят определенный и существенный вклад в осморегуляцию микроорганизмов. Если внутриклеточное осмотическое давление меньше внешнего, то воды выходит из клетки, объем цитоплазмы уменьшается и клеточная мембрана повреждается. У грамположительных бактерий клеточная стенка при этом отстает от клеточной мембраны. Такой процесс называется плазмолизом. Вещества (электролиты и неэлектролиты) в водных растворах проявляют различную осмолярность. Как правило, внутриклеточная осмолярность всегда превышает осмолярность среды, что зависит от накопления в клетках ионов калия. Морские бактерии нуждаются в высоких концентрациях ионов натрия, который обеспечивает нормальную функцию транспортных механизмов, поддерживает стабильность и активность ферментов.

2.5 Органические кислоты Органические кислоты как промежуточные соединения являются материалом для биосинтеза ряда строительных блоков (аминокислот, глицерина, жирных кислот, мононуклеотидов, моноз и низших олигоз, или простых сахаров). Так, уксусная и малоновая кислоты используются в клетках для синтеза глицерина и жирных кислот; пальмитиновая кислота становится родоначальником всех других жирных кислот (олеиновой, стеариновой, лауриновой и др.) или их альдегидов; глицерин входит в состав липидов.

Пировиноградная кислота является основным продуктом в обменных процессах, связанных с превращением глюкозы как источника углерода для многих гетеротрофных микроорганизмов. Речь идет, прежде всего, о фосфоенолпирувате с макроэргической связью. Первичный синтез пирувата из простейших малых молекул у ряда организмов происходит путем образования его из многих аминокислот у гетеротрофных видов.

Множество органических кислот берут участие в биосинтезе аминокислот.

К малым молекулам промежуточных соединений относится молочная кислота, или малат. Фосфоенолпируват и малат участвуют в синтезе углеводов через так называемые центральные и обходные пути. Из органических кислот большое значение имеет мевалоновая кислота — предшественник изопреноидных структур у многих микроорганизмов. Она относится к разряду веществ, называемых факторами роста.

Микроорганизмы часто оказываются непроницаемыми для органических кислот, особенно кетокислот, и, таким образом, эти соединения не могут быть использованы в качестве источников углерода. Изучая потребления органических кислот микроорганизмами, необходимо помнить о двух обстоятельствах. Во-первых, использование нейтральных органических кислот вызывает увеличение значения рН в культуре, что может неблагоприятно сказаться на росте организма. Во-вторых, некоторые органические кислоты (например, лимонная и винная) являются активными хелатными агентами и, таким образом, недостаток ионов металла может влиять на рост бактерий. Органические кислоты и особенно разнообразные их сочетания более благоприятны для развития многих микроорганизмов, чем углеводы.

С помощью микроорганизмов можно получить более 50 различных органических кислот. В настоящее время только шесть кислот производятся в промышленных масштабах микробиологическим путем (лимонная, итаконовая, глюконовая, 2-кетоглюконовая, уксусная, молочная).

2.6 Аминокислоты Важнейшие макромолекулы клеток любых организмов (в том числе микроорганизмов) — белки, они состоят из мономерных единиц — аминокислот, определяющих основные свойства полимеров. Большое значение при этом имеет тип аминокислот, порядок их соединения и пространственное взаимодействие между аминокислотами [1, 15, 16].

Всего 20 аминокислот участвуют в формировании белковых макромолекул. В белках найдены также и редкие производные этих 20 аминокислот, но свыше 200 других известных аминокислот, являющихся, как правило, производными б-аминокислот, никогда не обнаруживаются в природных белках, они находятся в свободном состоянии или связанном состоянии в других структурах. Кроме того, могут быть в-, г-, д-, е-аминокислоты и аминокислоты с D-конфигурацией [1, 15, 17].

Все аминокислоты (кроме глицина) являются оптически активными, поскольку содержат один или несколько хиральных (асимметрических) атомов углерода. В результате эти аминокислоты в природе могут находиться в двух разных изомерных формах — L и D. Чистые Lили D-стереоизомеры могут за длительный срок самопроизвольно и неферментативно превращаться в эквимолярную смесь Lи D-изомеров. Этот процесс называют рацемизацией. В составе белков присутствуют только L-изомеры аминокислот. D-аминокислоты входят только в состав клеточных стенок бактерий. Так, в клеточных стенках бактерий найдены D-аланин и г-D-глутаминовая кислота, б-д-мезодиаминопимелиновая кислота.

Большинство аминокислот не растворяется в полярных растворителях (воде, спирте) и не растворяется в неполярных растворителях (бензоле, гексане, эфире). Гистидин, тирозин, триптофан и фенилаланин поглощают ультрафиолетовые лучи (>240 нм), причем больше всего триптофан.

Наличие карбоксильной и аминной групп обеспечивает аминокислотам способность взаимодействовать с соответствующими ингредиентами в реакциях ацилирования, солеобразования и эстерификации. Главнейшая реакция аминокислот в живой клетке — образование пептидной связи. В отдельных случаях некоторые аминокислоты служат исходными продуктами для синтеза органических аминов, пуринов и других веществ. Например, из аргинина образуются полиамины спермии и спермидин — факторы роста для иерсиний и нейссерий [1, 14].

Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков. В качестве исходных углеродных скелетов для биосинтеза аминокислот служит небольшое число промежуточных соединений различных метаболических путей.

Аминокислоты являются факторами роста микроорганизмов. Микроорганизмы могут быть ауксотрофными по одной или более из 20 аминокислот, которые входят в состав белков. Возможно, наиболее требовательна в отношении аминокислот бактерия Leuconostoc mesenteroides Р.60, для роста которой необходимо не менее 17 аминокислот. Фактически большинство штаммов молочно-кислых бактерий ауксотрофны по аминокислотам. Обычно микроорганизмы нуждаются в L-аминокислотах, но для некоторых бактерий характерна потребность в D-аланине, необходимом для синтеза гликопептида клеточной стенки. Концентрации аминокислот, обеспечивающие максимальный рост ауксотрофных микроорганизмов, обычно лежат в пределах 20−50 мкг аминокислоты на 1 мл.

Среди микроорганизмов обнаружено много бактерий, ряд дрожжей и других грибов, которые являются продуцентами глутаминовой кислоты. Много обследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают б-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. Строгой корреляции между видовой принадлежностью микроорганизмов и способностью их накапливать аминокислоты нет.

Наиболее распространенные продуценты аминокислот — грамположительные бесспоровые бактерии, относимые к родам Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter, Brevibacterium и некоторым другим, но точное таксономическое положение большинства из них определить трудно.

Ферментативные реакции синтеза аминокислот протекают внутри клеток. Первоначально аминокислоты накапливаются внутри клеток в виде так называемых свободных аминокислот. На ранних этапах роста культуры свободные аминокислоты включаются в конструктивный обмен микроорганизма. Активное накопление аминокислот в среде в периодической культуре происходит обычно с середины экспоненциальной фазы ее роста, достигая максимума к концу [8, 14].

2.7 Глицерин Глицерин относится к простейшим сахароспиртам и является составной частью липидов. Глицероальдегид — родоначальник Lи D-рядов моноз. Наличие одного хирального атома углерода в его молекуле создает возможность существования Lи D-форм глицероальдегида.

При восстановлении глицероальдегид превращается в оптически неактивный глицерин. Глицероальдегид выполняет ключевую роль в превращении углеводов в клетках различных организмов.

Потребность в глицерине наблюдается сравнительно редко, и подобные данные имеются только в отношении одного микроорганизма, а именно Mycoplasma mycoides.

2.8 Жирные кислоты Жирные кислоты — это длинноцепочечные органические кислоты, содержащие от 4 до 24 углеродных атомов; они содержат одну карбоксильную группу и длинный неполярный углеводородный «хвост», из-за которого большинство липидов нерастворимы в воде и проявляют свойства масел и жиров. Длинная углеводородная цепь, составляющая хвост молекулы, может быть полностью насыщена, то есть содержать только одинарные связи, или ненасыщенна, то есть содержать одну или несколько двойных связей. Цепи жирных кислот в мембранных липидах различаются по длине. Они бывают разветвленными, а также могут содержать кольца и двойные связи [18, 19].

Насыщенные кислоты природных липидов, как правило, имеют прямую неразветвленную цепь и содержат четное число атомов углерода. К насыщенным жирным кислотам относят пальмитиновую С15Н31СООН, лауриновую С11Н23СООН, миристиновую С13Н27СООН, стеариновую С17Н35СООН, арахиновую С19Н39СООН, лигноцериновую С23Н47СООН. Кислоты, содержащие разветвления в цепи, достаточно широко представлены в бактериальных липидах. Значительный интерес представляют миколевые кислоты — типичные составные части микобактерий. Достаточно широко представлены в различных бактериях производные циклопропана [1, 20].

В большинстве жирных кислот имеющаяся двойная связь расположена между 9-м и 10-м атомами углерода. Две двойные связи в жирных кислотах не бывают сопряженными, а всегда между ними находится метиленовая группа. В зависимости от числа присутствующих двойных связей полиненасыщенные кислоты подразделяют на моноевые, диеновые, триеновые, тетраеновые, объединяемые под названием полиеновых жирных кислот. Основными наиболее распространенными типами ненасыщенности, встречающимися в природных жирных кислотах, являются цис-изолированные двойные связи в случае моноеновых кислот и цис-метиленразделенные двойные связи в случае полиеновых кислот [18, 19].

Все ненасыщенные метиленразделенные жирные кислоты в зависимости от положения двойной связи по отношению к некарбоксильному концу делят на три типа: типы олеиновой, линолевой и линоленовой кислот.

К ненасыщенным жирным кислотам относят:

— пальмитолеиновую СН3(СН2)5СН=СН (СН2)7СООН,

— олеиновую СН3(СН2)7СН=СН (СН2)7СООН,

— линолевую СН3(СН2)4СН=СНСН2СН=СН (СН2)7СООН,

— линоленовую СН3СН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН (СН2)7СООН,

— арахидоновую СН3(СН2)4СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН (СН2)3СООН.

К необычным жирным кислотам можно отнести туберкулостеариновую, лактобактериновую и другие кислоты.

Наличие двойных связей в молекулах ряда жирных кислот определяет возможность их циси транс-конфигураций. В транс-форме жирные кислоты более стабильны. Липиды с большим содержанием ненасыщенных жирных кислот будут менее вязкими и, наоборот, липиды с большим содержанием насыщенных кислот будут более вязкими [1, 20].

В мембранах микроорганизмов свободные жирные кислоты встречаются редко и в малом количестве, могут существовать и в виде свободных липидов (включений). Обычно они образуют сложные эфиры с глицерином. Исключением служит сложный эфир щ-ациклической С20-жирной кислоты с метанолом, относящийся к недавно открытому классу липидов — ледеранам.

В отличие от эукариотов, у которых изменение физических свойств липидного ядра мембраны происходит за счет изменения соотношения между фосфолипидами и холестеролом, бактерии используют другую стратегию — варьируют жирнокислотный состав липидов.

Жирные кислоты бактериальных мембран отличаются по крайне мере в двух отношениях от кислот, входящих в состав мембран других микроорганизмов. Во-первых, многие бактерии содержат жирные кислоты с разветвленной углеродной цепью, которые обычно отсутствуют в мембранах дрожжей и грибов. Особенно богаты С15- и С17-кислотами с разветвленной цепью (главным образом с изо-структурой) мембраны бацилл. Во-вторых, липиды некоторых бактерий содержат циклопропановые жирные кислоты, которые также не были до сих пор обнаружены в липидах дрожжей и грибов. Представители Enterobacteriaceae обычно содержат значительные количества 9-, 10-метиленгексадекановой и 11, 12-метиленоктадекановой кислот.

Способность бактерий варьировать жирнокислотный состав мембранных липидов в зависимости от изменений условий окружающей среды для того, чтобы мембраны находились в жидкостно-кристаллическом состоянии, называется «гомеовязкостной адаптацией». Благодаря этому бактерии поддерживают вязкость своих мембран на относительно постоянном уровне.

У бактерий, которые самостоятельно синтезируют жирные кислоты (прототрофов по жирным кислотам), это происходит путем изменения набора соответствующих ферментов. В то же время для бактерий, нуждающихся в экзогенных жирных кислотах (ауксотрофов по жирным кислотам, например Acholeplasma laidlawii) температура, при которой возможен рост, зависит от типа добавленной жирной кислоты.

В настоящее время есть лишь небольшое количество данных о распределении жирных кислот, входящих в состав мембран, между различными нейтральными липидами и фосфолипидами. Имеется, однако, сообщение, что в мембране Saccharomyces cerevisiaea фосфатидилинозит содержит соответственно более насыщенные жирные кислоты, чем другие фосфолипиды.

Широко распространена потребность в жирных кислотах с длинной углеводородной цепью. Для микоплазм и простейших эта потребность в жирных кислотах не очень специфична и часто может быть удовлетворена за счет любой из ряда насыщенных или ненасыщенных кислот. В то время как некоторые микроорганизмы, такие, как Actinomyces israeli, проявляют более или менее специфичную зависимость от олеиновой кислоты, для грибов потребность в жирных кислотах с длинной углеродной цепью не характерна, хотя имеются дрожжи, например Pityrosporum ovale, нуждающийся для роста в С14- или С16-жирных кислотах. Если концентрация жирных кислот выше необходимой для максимального роста, то многие из них оказывают антимикробное действие; последнее часто можно снять добавлением сывороточного альбумина или лецитина. В жирных кислотах с более короткой цепью нуждаются некоторые бактерии, обитающие в рубце.

2.9 Простые сахара (монозы, низшие олигозы) Первичными малыми биомолекулами являются такие монозы, как триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы, декозы. К простейшим триозам относят глицериновый альдегид; к тетрозам — эритрозу и треозу; к пентзам — рибозу, арабинозу, ксилозу, лактозу; к гексозам — аллозу, альтрозу, глюкозу, маннозу, гулозу, идозу, галактозу, талозу.

Все моносахариды (полиоксиальдегиды и полиоксикетоны) подразделяют на альдозы (глюкоза) и кетозы (фруктоза).

Разнообразие моносахаридов возрастает за счет различных типов изомерии. Изомерия моноз существенно прояснилась с введением понятия о циклических структурах их и неплоскостных конформациях типов С (кресло), В (лодка), Т (скрученный) и Е (конверт) [1, 15].

Пентозы и гексозы существуют обычно в циклической форме, которая представляет собою полуацеталь (лактол). Эта форма возникает в результате нуклеофильной атаки углеродного атома карбонильной группы атомом кислорода достаточно удаленной спиртовой группы.

Моносахариды представлены в структуре полисахаридов и углевод-белковых комплексов альдогексозами, дезоксисахарами, аминосахарами, уроновыми и сиаловыми кислотами.

Моносахариды (глюкозамин, галактозамин, мурамовая, или гликолактиловая, кислота) нередко обнаруживаются у микроорганизмов в виде аминосахаров и их производных. Водород аминогруппы в аминосахаридах нередко оказывается замещенным, например на ацетил. За счет полуацетального гидроксила моносахариды образуют гликозидные структуры как с аналогичными молекулами простых сахаров (гомои гетерополисахариды), так и с другими молекулами (например, нуклеозиды, некоторые антибиотики).

Пентозы и гексозы очень важны для микроорганизмов. Рибоза и дезоксирибоза — структурные компоненты молекул РНК и ДНК. Глюкоза — основной энергетический материал для живой клетки.

Моносахариды, в которых одна или несколько гидроксильных групп замещены атомами водорода, называются дезоксисахарами. Многие бактерии и некоторые грибы в составе полисахаридов содержат фукозу, или 6-дезоксигалактозу [5, 18].

К простым сахарам относятся и низшие олигосахариды (олигозы), включающие от 2 до 5 моноз. Например, низший гомоолигосахарид-биоза — мальтоза, состоит из 2 остатков глюкозы. К гетероолигосахаридам относится сахароза, состоящая из глюкозы и фруктозы. Биозы, или дисахариды, такие, как лактоза и мелибиоза, состоящие из глюкозы и галактозы, относятся к гетеробиозам; трегалоза, ламинарибиоза, целлобиоза — к гомобиозам, включающим только остатки глюкозы.

Трисахариды (триаозы), тетраозы, пентаозы, а также высшие олигозы (с 6−10 остатками моноз) у микроорганизмов не обнаружены, тем не менее, монозы и олигозы играют огромную роль как энергосубстраты и структурные блоки полисахаридов и полисахаридосодержащих молекул в микробных клетках. Полисахариды и гликоконъюгаты относятся к макромолекулам, включающим моносахаридные строительные блоки [17, 22].

Клеточная стенка бактерий построена из дисахаридов и белка, что вместе образуют молекулу пептидогликана.

2.10 Мононуклеотиды Мононуклеотиды состоят из гетероциклического основания, относящегося к ряду пиримидина или пурина, моносахарида и остатка фосфорной кислоты.

Из входящих в нуклеиновые кислоты и нуклеотидные коферменты пиримидиновых оснований в наибольшем количестве обнаружены урацил, тимин, цитозин. В пуриновых основаниях главными компонентами природных нуклеотидов являются аденин и гуанин.

В молекуле нуклеотида гетероциклическое основание связано с остатком моносахарида, N-гликозидом которого является мононуклеотид.

Нуклеотиды, выделенные при гидролизе нуклеиновых кислот, содержат только один моносахарид, которым в РНК является D-рибоза, а в ДНК — D-2-дезоксирибоза.

Дезоксирибоза (рибоза) соединяется с пуриновыми и пиримидиновыми основаниями посредством N-гликозидных связей соответственно в позициях С1' > C9 и C1' > C3. Природные нуклеотиды чаще находятся в анти-, чем в син-конформационном состоянии (рис. 2.10.1). Анти-конформация гликозидной связи приобретает важное значение в наведении водородных связей между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями в двойной спирали ДНК. N-гликозидные связи характерны для всех мононуклеотидов, независимо от того, в свободном или связанном состоянии они находятся. Однако имеются исключения. В некоторых типа РНК (тРНК) остаток рибозы может присоединяться к С5 урацила. В этом случае формируется С-гликозидная связь. Этот нуклеотид называется псевдоуридиловой кислотой.

Рисунок 2.10.1 — Син- (аденозин) и анти- (уридин) конформации нуклеотидов [1]

Остатки фосфорной кислоты в позиции С5' дезоксирибозы или рибозы в нуклеотидах служат местом присоединения других нуклеотидов по С3' позиции пентозы. Следовательно, мононуклеотиды, являясь структурными блоками нуклеиновых кислот, присоединяются в виде нитей или цепей по С3' и С5' позициям пентоз [17, 18, 22].

Пути биосинтеза пуринов и пиримидинов совершенно не связаны друг с другом, но они имеют одну общую особенность, которая заключается в том, что каждый из этих путей приводит непосредственно к образованию нуклеотида. Более длинным из этих двух путей является путь синтеза пуриновых нуклеотидов. Конечным продуктом этого пути является инозиновая кислота (ИМФ), рибонуклеотид, соответствующий пурину гипоксантину. Источником рибозилфосфатной части молекулы является фосфорибозилпирофосфат (ФРПФ), который образуется из рибозо-5-фосфата.

Путь, ведущий к синтезу пиримидиновых рибонуклеотидов, отличается от предыдущего пути тем, что ФРПФ, который также поставляет рибозильную часть молекулы, включается в цепь биосинтетических реакций на более поздней стадии, связываясь с пиримидином (оротовой кислотой), в результате чего образуется оротидин-5-фосфат. Уридиловая кислота образуется непосредственно из оротидин-5-фосфата путем декарбоксилирования.

Некоторые нуклеотиды в соответствующих реакциях высвобождают большое количество энергии. К таким нуклеотидам относятся АТФ — универсальный источник энергии в клетках разных микроорганизмов, который не входит в состав нуклеиновых кислот. При гидролизе 1 моль АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) освобождается около 3768 кДж энергии.

Свободными нуклеотидами (кроме АМФ, АДФ и АТФ) являются также аденозинцикло-3', 5'-фосфат или циклический АМФ (цАМФ); циклический гуанозини цитозинмонофосфаты (цГМФ и цЦМФ соответственно); аденозин-3'-фосфат; S-аденозилметионин и другие.

цАМФ принимает участие в регуляции отдельных реакций обмена углеводов. При недостатке простых сахаров концентрация цАМФ в клетках повышается, при достаточном или избыточном количестве таких сахаров концентрация цАМФ снижается.

Активным метионином является S-аденозилметионин, выступающий в качестве донора метильных групп в реакциях трансметилирования и как источник пропиламина в синтезе полиаминов.

ГДФ и ГТФ имеют макроэргические связи и участвуют в реакциях, требующих затрат энергии, а также синтезе белков и углеводов.

Мононуклеотиды могут быть структурной частью ряда витаминов и коферментов.

Известны также и динуклеотидные коферменты: флавинадениндинуклеотид (ФАД), никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), которые играют важную роль в цепи переноса электронов при окислительном фосфорилировании [1, 22].

Некоторые микроорганизмы нуждаются в одном или более одного продукта, входящего в состав нуклеиновых кислот. Обычно бывает необходим тот пурин или пиримидин, который включается микроорганизмом в состав нуклеотидов. Потребность в пуринах и пиримидинах наиболее часто можно обнаружить среди простейших, а также у некоторых бактерий, особенно молочнокислых. Некоторые микроорганизмы не только не способны синтезировать пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды, но также и не обладают способностью включать экзогенные пурины и пиримидины в состав нуклеотидов. Поэтому такие микроорганизмы должны снабжаться готовыми нуклеозидами или иногда нуклеотидами. К числу микроорганизмов, нуждающихся в нуклеозидах, относятся виды Thermobacterium и Lactobacillus. Потребность в нуклеотидах была описана для видов Gaffkya, Mycoplasma и Tetrahymena. Для обеспечения максимального роста этих микроорганизмов требуются высокие концентрации нуклеозидов и нуклеотидов, лежащие обычно в пределах около 200−2000 мкг/мл.

2.11 Витамины Витамины — группа низкомолекулярных органических веществ, которые в очень низких концентрациях оказывают сильное и разнообразное биологическое действие.

К витаминам относятся витамины группы В (водорастворимые) и витамины А, D, Е, К (жирорастворимые).

Витамин В1 (тиаминхлорид) содержит бициклическую систему из пиримидинового и тиазольного колец. Достаточно устойчив в кислой среде, но быстро инактивируется при нагревании в нейтральных и щелочных растворах. В виде кофермента тиаминпирофосфата (кокарбоксилазы) витамин В1 участвует в окислительном декарбоксилировании б-кетокислот и в транскетолазной реакции. Витамин В1 могут синтезировать многие микроорганизмы, но некоторые из них не способны осуществлять такой процесс и нуждаются в добавлении витамина в питательные среды (Leuconostoc species, Candida species и др.) [1, 17, 18].

Витамин В2 (рибофлавин) относится к светочувствительным соединениям. При облучении его ультрафиолетом в нейтральном или кислом растворе отщепляется остаток рибита и образуется 6,7-диметилаллоксазин (люмихром), а в щелочной среде — 6,7,9-триметилизоаллоксазин (люмифлавин). Рибофлавин (витамин В2) функционирует в коэнзимных формах, представляющих собой его фосфорные эфиры: флавиномононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Продуцентами рибофлавина являются дрожжи, мицелиальные грибы и бактерии. Большинство микроорганизмов образует свободный рибофлавин и две его коферментные формы — ФМН и ФАД. Из многих бактерий и плесневых грибов выделены аналоги рибофлавина и их коферментные формы. Основной формой флавинов, выделяемых микроорганизмами в среду, является рибофлавин. Среди прокариот флавиногенной группой считают микобактерии и ацетонобутиловые бактерии. Из актиномицетов значительные количества рибофлавина синтезируют Nocardia eritripolis. Среди плесневых грибов активные продуценты рибофлавина — грибы рода Aspergillus и вид A. niger. Активные продуценты витамина В2 Eremothecium ashbyii, Ashbyii gossypii, образующие игольчатые аскоспоры, дрожжеподобные грибы, входящие в класс Ascomycetes, порядок Endomycetales, семейства Spermophtoraceae. Некоторые мутантные дрожжи, отдельные бактерии (например, Lactobacterium species) нуждается в добавлении витамина В2 извне [14, 17, 18].

Витамин В5 (пантотеновая кислота, пантоил-в-аланин) образуется большинством микроорганизмов. Пантотеновая кислота входит в состав коферментов, А и ацилпереносящего белка (АПБ), производные которых участвуют более чем в 70 ферментативных реакциях. АПБ участвует в биосинтезе жирных кислот.

Холин (гидроксид в-оксиэтилтриметиламмония) — сильное основание, полностью диссоциирующее в воде на ионы холина и гидроксила. Холин может выступать субстратом для некоторых флавиновых ферментов в митохондриях у отдельных эукариотических организмов. Холин входит в состав соответствующих фосфатидов и обнаруживается в мембранах многих микроорганизмов [1, 17].

Витамин В6 (пиридоксин) является предшественником пиридоксальфосфата — кофермента всех трансаминаз, который выступает переносчиком аминогрупп. Группа витамина В6 включает три родственных соединения: пиридоксин, пиридоксаль и пиридоксамин, которые в биологических системах легко превращаются друг в друга. Активной формой витамина В6 является пиридоксальфосфат и его аминоформа — пиридоксаминфосфат. Витамин В6 образуется большинством микроорганизмов.

Витамин Н (биотин) — производное имидазола; в виде простетической группы входит в состав ряда ферментов, катализирующих реакции включения СО2 в органические соединения (ацетил-СоА-карбоксилазы, метилмалонил-транскарбоксилазы, пируваткарбоксилазы и др.). Биотин образуется многими микроорганизмами, включая некоторых представителей нормальной микрофлоры кишечника человека [1, 14, 18].

Витамин В8 (инозитол) — производное циклогексана. Он может находится в виде семи оптически неактивных и двух оптически активных форм. У кислотоустойчивых бактерий обнаружена оптическая его форма — мио-инозитол, который является составной частью липидов. Инозитол входит в состав фосфолипидов, локализующихся в мембранах микроорганизмов, и в форме инозитолгексафосфата (фитиновой кислоты) связывает двухвалентные катионы.

Витамин В9 (фолиевая кислота, фолацин) — олигопептид с молекулярной массой более 350 Да. Синтезируется одними микроорганизмами и необходим извне для других, например для Streptococcus faecalis. Фолиевая кислота участвует в переносе одноуглеродных фрагментов при метаболизме аминокислот, а также в образовании пуринов и тимина [1, 17].

Витамин С (аскорбиновая кислота) проявляет окислительно-восстановительные свойства. Уксуснокислые бактерии трансформируют многоатомный спирт сорбитол в сорбозу, являющуюся исходным продуктом при синтезе L-аскорбиновой кислоты. Участие витамина С в окислительно-восстановительных реакциях у микроорганизмов остается проблематичным.

Витамин В3 (никотиновая кислота, витамин РР, ниацин) является производным пиридина и синтезируется подавляющим большинством микроорганизмов. В виде нуклеотидов НАД+ и НАДФ+ выступает коферментом во многих оксилительно-восстановительных реакциях, катализируемых оксидоредуктазами. Это во многом зависит от способности пиридинового кольца находиться во множественных резонансных формах, обеспечивающих относительную стабильность.

Парааминобензойная кислота (ПАБК) — предшественник фолиевой кислота. Относится к разряду водорастворимых витаминов группы В. ПАБК — антагонист сульфаниламидов (антиметаболит) и поэтому снимает их губительное действие в силу структурного сходства молекул [1, 17, 18].

Витамин В12 (кобаламин) обычно выделяют из культуральной жидкости в виде цианкобаламина, способного восстанавливаться в кобаламин. Среди неполимерных соединений витамин В12 имеет самое сложное строение. Это б (5,6-диметилбензимидазол)-кобамидцианид. Сложная корриновая циклическая система витамина В12, с которой координационно связан атом кобальта, по химическому строению сходна с порфириновой циклической системой гемма и гемопротеинов.

Витамин В12 и родственные корриноидные соединения находят в клетках микроорганизмов. Активно продуцируют витамин В12 представители рода Propionibacterium. Природные штаммы пропионовокислых бактерий образуют 1,0−8,5 мг/л корриноидов, но получен мутант P. shermanii М-82, с помощью которого получают до 58 мг/л витамина. Eubacterium limosum способны к высокому накоплению В12 в клетках. Истинный витамин В12 в значительных количествах синтезирует Nocardia rugosa. Активные продуценты обнаружены также среди представителей рода Micromonospora. Высокой кобаламинсинтезирующей активностью обладают метаногенные бактерии, например Methanosarcina barkeri, M. vacuolata и отдельные штаммы галофильного вида Methanococcus halophilus. Корриноиды синтезируют строго анаэробные бактерии из рода клостридий. Как кофермент витамин В12 необходим при образовании метана различными анаэробными бактериями, участвует в реакциях трансметилирования.

Витамин В13 (оротовая кислота) — производное пиридина. Синтезируется в клетках различных дрожжей. Оротовая кислота стимулирует рост некоторых бактерий и других микроорганизмов.

Витамин В15 (пангамовая кислота, D-глюконодиметилацетат) — эфир D-глюконовой кислоты и полностью алкилированной аминоуксусной кислоты. Обнаруден в клетках многих эукариот и, в частности, пивных дрожжей. Пангамовая кислота содержит лабильные метильные группы и может принимать участие в реакциях метилирования и трансметилирования.

Витамин N (липоевая кислота) образуется многими прокариотическими и эукариотическими микроорганизмами. Как кофермент липоевая кислота ковалентно связывается амидной связью с группой лизина и составе апофермента. Учавствует в оксилительном декарбоксилировании б-кетокислот [1, 18].

Витамин, А и D жирорастворимые, построены из блоков изопреноидного типа. Они образуются в клетках некоторых микроорганизмов в форме провитаминов, например у пигментных коринебактерий и дрожжей. В мембранах клеток облигатных галлофилов Halobacterium sp. изопреноиды защищают клетки от фотохимического повреждения.

Эргостерин — исходный продукт производства жирорастворимого витамина D2. В группу витаминов D объединяют родственные соединения, важнейшими из которых являются витамины D2 и D3. Витамин D2 (эргокальциферрол) образуется при ультрафиолетовом облучении эргостерина, витамин D3 (холекальциферрол) образуется из 7-дегидрохолестерина.

Источником эргостерина являются дрожжи и плесневые грибы. Эргостерин — основной стерин дрожжей, на который приходится 60−90% от других стеринов: содержание эргостерина составляет 0,2−0,5%, но в некоторых случаях достигает 10% от сухой биомассы дрожжей. Бактерии, как правило, синтезируют низкое количество стеринов. Обычно содержание стеринов в их клетках составляет 0,001−0,1 мг/г сухой биомассы. Стерины обнаружены у Lactobacillus arabinosus, L. pentosus, Escherichia coli, Azotobacter chroococcum, Micromonospora sp., Streptomyces griseus, Sphaerotillis natans, Rhodospirillum rubrum.

Витамины Е и К не типичны для микроорганизмов.

Первыми факторами роста, потребность в которых была обнаружена у микроорганизмов, были витамины группы В. Почти все витамины этой группы играют роль коферментов или входят в состав коферментов.

Известно около 15 витаминов, по которым микроорганизмы могут быть ауксотрофными. По потребности в витаминах отдельные ауксотрофы заметно отличаются друг от друга. К числу более требовательных микроорганизмов относятся простейшие и молочнокислые бактерии, которые нуждаются в 5−6 витаминах для своего роста; чаще всего проявляется потребность в биотине и тиамине. Среди водорослей и динофлагеллят очень распространена потребность в витамине В12. Концентрации витаминов, необходимые для максимального роста микроорганизмов, различны, но в общем довольно низки и составляют обычно 1−50 ммкг витамина на 1 мл. Рибофлавин часто требуется в сравнительно больших количествах, в то время как на другом конце шкалы находится биотин, необходимое содержание которого в среде обычно чрезвычайно мало (около 0,2 ммкг/мл).