Культивирование и рост микроорганизмов

Структура клеток микроорганизмов. Функционирование клетки как системы. Механизмы энергетического обмена клетки. Условия роста микроорганизмов. Физиология роста микроорганизмов. Типы питания микроорганизмов. Культивирование микроорганизмов.

Вода является той необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции, с водой же удаляются из клетки продукты обмена.

Часть воды в клетке находится в связанном состоянии с белками, углеводами и другими веществами и входит в клеточные структуры. Остальная вода находится в свободном состоянии и служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений, образующихся в клетке при обмене веществ. Содержание свободной воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и др. Так, в спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках. Потеря свободной воды приводит к высыханию клетки и изменению обмена веществ. Потеря связанной воды приводит к нарушению клеточных структур и гибели клетки.

Сухая биомасса клетки — это в основном полимеры.

Белки. Содержание белков в клетке составляет около 50%. У разных микроорганизмов содержание белков следующее (%): у бактерий 40…80, у дрожжей 40…60, у грибов 15…40. Белки выполняют две основные функции: во-первых, входят в состав всех мембран клетки; во-вторых, играют роль ферментов — биохимических катализаторов, которые обусловливают, направляют и ускоряют почти все химические реакции, происходящие в живой клетке. Среди белков есть и такие, которые убивают жизнь, — токсины. Бактериальные токсины наиболее ядовитые. Некоторые микроорганизмы синтезируют большое количество белков в клетке — до 80%. Такие микроорганизмы рассматриваются как возможные продуценты кормового и пищевого белка. Промышленное производство таких белков рентабельно, так как микроорганизмы быстро растут независимо от времени года и погоды. В качестве сырья для их роста используются отходы пищевой и других отраслей промышленности. Продуцентами могут быть дрожжи, бактерии и водоросли, особенно цианобактерии.

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В клетке содержится от 3 до 4% ДНК и от 10 до 20% РНК. В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация вида. ДНК сосредоточена в основном в ядре эвкариотной клетки и в нуклеоиде прокариотной клетки. Часть ДНК находится в плазмидах. РНК сосредоточена главным образом в рибосомах (до 80%), синтезирующих белок, и в цитоплазме.

Липиды. В клетке образуется до 10% липидов. Некоторые дрожжи и плесневые грибы синтезируют до 40… 60% липидов. Липиды входят в состав цитоплазматической мембраны и в состав мембран. Могут находиться в цитоплазме в виде гранул.

Клеточная стенка. Клеточная стенка обусловливает целостность клетки и составляет до 20%. Пигменты и минеральные вещества. Клетки микроорганизмов содержат в небольших количествах пигменты и минеральные вещества. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов, некоторые из них выделяются в окружающую среду. Фотосинтезирующие бактерии образуют пигмент бактериохлорофилл. Фототрофные микроорганизмы и отдельные виды дрожжей образуют каротиноиды, некоторые из которых являются провитамином витамина А. Микроорганизмы, синтезирующие такие пигменты, являются перспективными продуцентами белково-витаминных кормов.

Минеральные вещества (элементы) составляют не более 5%. Из них 50% принадлежит углероду; 20 — кислороду; 10 — водороду; 10… 15 — азоту; 2… 6% — фосфору. Другие элементы содержатся в еще меньших количествах: сера — 1%; калий — 1; кальций — 0,5; магний — 0,5; железо — 0,2% и др. Минеральные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.

Функционирование клетки как системы Клетка может быть рассмотрена как система, состоящая из четырех подсистем: геном клетки с хромосомой, аппаратом репликации (репликсомой) и РНК-полимеразой; рибосома — аппарат синтеза белка; цитоплазма (цитозоль), которая включает в себя сеть метаболических путей с обслуживающими их ферментами; мембрана с энергодающим аппаратом синтеза АТФ и транспортными системами, осуществляющими взаимодействие клетки с окружающей ее средой.

Геном клетки. Геном клетки представляет собой постоянную для вида компоненту и может быть оценен анализом ДНК. Установлена последовательность оснований ДНК, соответствующих многим отдельным генам. Хромосома содержит: генетическую информацию вида; генетическую информацию для собственной репликации за счет предшественников (азотистых оснований), поступающих из цитоплазмы, и энергии, поступающей от энергодающего мембранного аппарата; информацию для синтеза белка РНК-полимеразным блоком в соответствии с регуляторными сигналами в виде белков — активаторов и репрессоров, поступающих из цитоплазмы.

Рибосома. Рибосома представляет собой РНК-содержащий аппарат синтеза белка из аминокислот-предшественников, поступающих из цитоплазмы и расходующих энергию, поступающую от энергодающего мембранного материала. Рибосома действует в соответствии с командами, получаемыми через РНК-полимеразу от хромосомы. Рибосома оценивается по суммарному содержанию РНК в клетке. В покоящейся клетке РНК мало, но по мере активизации роста клетки содержание ее увеличивается.

Цитоплазма клетки. Цитоплазма представляет собой прежде всего «котел» метаболических превращений веществ, поступающих извне, с образованием энергетических субстратов для АТФ-продуцирующего блока (энергетический обмен, или катаболизм) и соединений-предшественников для синтеза компонентов клетки (конструктивный обмен, или анаболизм).

Катаболизм и анаболизм в той или иной степени сопряжены, общую их часть называют амфиболизмом, или центральным метаболизмом. Среди процессов центрального метаболизма, которые осуществляют микроорганизмы, первостепенное значение имеет разложение углеводов (глюкозы). Наиболее распространенным является процесс Эмбдена—Мейергофа, или гликолиз, в котором при окислении одной молекулы глюкозы образуются в конечном итоге две молекулы пирувата, две молекулы АТФ и две молекулы восстановителя НАДН. Такой процесс характерен для многих анаэробных органотрофных сахаролитических организмов, осуществляющих брожение углеводов. Гликолиз проходит в несколько этапов. На первом этапе глюкоза в клетке фосфорилируется с участием фермента гексокиназы и АТФ в качестве донора фосфата и переходит в глюкозо-6-фосфат. На втором этапе глюкозо-6-фосфат изомеризуется ферментом фосфоглюкоизомеразой до фруктозо-б-фосфата. На третьем этапе происходит фосфорилирование фруктозо-бфосфата под действием фермента фосфофруктокиназы за счет АТФ и перехода во фруктозе-1,6-дифосфат. На четвертом этапе фруктозо-6-дифосфат расщепляется ферментом альдолазой до диоксиацетонфосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида, которые находятся в равновесии, катализируемом ферментом триозофосфатизомеразой. Дальше диоксиацетонфосфат превращается в глицерин. Дальнейшему расщеплению подвергаются две молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида. На пятом этапе происходит окисление 3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента триозофосфатдегидрогеназы до 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, в которой сохраняется энергия, освободившаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида. На шестом этапе фосфатная группа 1,3-дифосфоглицериновой кислоты при участии фермента фосфоглицераткиназы переносится на молекулу аденозиндифосфорной кислоты с образованием 3-фосфоглицериновой кислоты, а АДФ превращается в АТФ. На седьмом этапе 3-фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфоглицеромутазы переходит в 2-фосфоглицериновую кислоту. На восьмом этапе 2-фосфоглицериновая кислота под действием фермента энолазы, теряя воду, переходит в фосфоэнолпируват (фосфопировиноградная кислота). На девятом этапе фосфоэнолпируват под действием фермента пируваткиназы дефосфорилируется, при этом богатая энергией фосфатная группа передается на молекулу АДФ, которая превращается в АТФ, и образуется пируват (пировиноградная кислота).

Большинство углеродных скелетов аминокислот для синтеза белков поставляет ЦТК. Для синтеза 20 аминокислот достаточно всего шесть исходных метаболитов. В результате других процессов центрального метаболизма образуются пурины, пиримидины, липиды, фосфолипиды, углеводы и другие компоненты клетки, составляющие сложную транспортную сеть веществ.

Цитоплазма является местом действия ферментов. В цитоплазме же находятся компоненты сигнальных путей. Изучение цитоплазматического «котла» привело к созданию метаболических карт, представляющих собой сеть транспортных путей, аналогичную сети промышленного производства.

Помимо более или менее сходного для всех микроорганизмов центрального метаболизма (с циклом трикарбоновых кислот и образованием предшественников аминокислот) существует и подготовительный метаболизм, различный у разных организмов и служащий для совмещения разнообразных используемых субстратов с реакциями центрального метаболизма. У некоторых организмов реакции катаболизма и анаболизма представляют собой два отдельных потока. Процесс центрального метаболизма — существенная часть биохимии микроорганизмов. Метаболизм бактерий является важнейшей характеристикой их функционального разнообразия.

Мембрана с энергодающим аппаратом. Мембрана с энергодающим аппаратом осуществляет электрохимическое преобразование энергии во внутреннюю энергию мембраны и синтез АТФ. В мембране расположен механизм трансмембранного переноса исществ: субстратов — внутрь клетки, а продуктов обмена — наружу. Система транспорта определяет сродство клетки к субстратам метаболизма и эффективность осуществляемых ею химических реакций. Об активности энергетического обмена клетки судят по «энергетическому заряду», который соответствует относительному содержанию АТФ и энергизации мембраны. Таким образом, клетка представляет собой систему, все подсистемы которой взаимосвязаны, хотя и индивидуальны.