Лекция № 3.
ОБЩАЯ БАТЕРИОЛОГИЯ.
МОРФОЛОГИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ.
Химическая характеристика и функциональная значимость основных структур и компонентов микроорганизмов.
Микробы, как и все прочие организмы, возникли в процессе эволюции из элементов широко распространенных на Земле. К основным из них, безусловно, относятся азот, водород, кислород и углерод, на которые приходится от 2 до 60% атомных долей. На этом основании данная группа элементов определена как органогены.
Другую группу, определенную как микроэлементы, составляют калий, кальций, магний, натрий, сера, фосфор и хлор. На них приходится от 0,02 до 0,1% атомных долей.
И последняя группа – ультрамикроэлементы: бор, ванадий, железо, кобальт, кремний, марганец, медь, молибден, цинк и другие. На них приходится до 0,001% атомных долей.
Из всего разнообразия химических элементов, участвующих в построении клеточных структур, стало возможным выделение отдельной группы, обозначенной как универсальные элементы, ввиду их структурно-функционального значения для всех видов животных независимо от уровня организации. Другие же элементы рассматривают как минорные.
Десять важнейших химических элементов представлены в клетках бактерий примерно так: углерод – 50%, кислород – 20%, азот – 14%, водород – 8%, фосфор – 3%, сера – 1%, калий – 1%, кальций – 0,5%, магний – 0,5%, железо – 0,2%.
Основные химические элементы, обнаруженные в бактериальных и других клетках обладают рядом примечательных свойств:
- они самые легкие среди элементов, способных образовывать прочные ковалентные связи (прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весам элементов);
- они легко взаимодействуют друг с другом;
- азот, кислород и углерод могут образовывать одинарные и двойные связи, благодаря которым резко приумножается число образуемых ими соединений;
- углерод способен образовывать тройные связи с другими атомами углерода и азота;
- углерод способен образовывать углерод-углеродные связи, благодаря чему возможно формирование бесчисленного количества разнообразных органических молекул;
- соединения углерода могут иметь различную трехмерную структуру благодаря образованию тетраэдрической конфигурации вокруг каждого атома углерода за счет спаренных электронов.
Основополагающее значение этих особенностей не ограничивается микробными клетками, а распространяется на всю живую материю вообще. Интересен тот факт, что во всех живых клетках сохраняется более или менее постоянный ионный баланс характерный для морской воды, что, по-видимому, доказывает происхождение жизни в воде.
Все перечисленные выше химические элементы участвуют в процессе структурно-функционального синтеза, в результате которого формируются молекулы, условно разделенные на малые (с молекулярной массой не более 350 Da)и большие, представляющие собой сложные полимерные структурысо средней молекулярной массой 103 – 109Da.
На примере молекулярного состава E. coli установлено, что малые молекулы составляют около 73% общей массы клетки. Из них на воду приходится 70%, на неорганические ионы – 1%, на прочие малые молекулы – 2%. Большие, или макромолекулы, составляют 27% общей массы, при этом на белки приходится 15%, на РНК – 6%, на углеводы – 3%, на жиры – 2%, на ДНК – 1%.
Из приведенных цифр следует:
- на микромолекулы приходится большая доля клеточной массы;
- белки, как продукт функции генов, преобладают над другими молекулами;
- наименьшая доля среди макромолекул приходится на ДНК.
Каждое химическое соединение, представляющее вышеперечисленные группы, обладает строго специфическими физико-химическими особенностями. Это, в свою очередь, определяет их структурно-физиологическое значение в жизнеобеспечивающих процессах, происходящих в клетке.
Вода. Молекула ее относится к малым и значение ее в жизнедеятельности любого организма огромно. Количество воды в разных клетках колеблется от 60 до 90%. Даже в спорах бактерий ее количество составляет ~ 18-20%. Вода имеет высокие показатели диэлектрической проницаемости, поверхностного натяжения и теплоемкости, благодаря которым она выступает растворителем для многих веществ, а также электростатическим и тепловым буфером.
Неорганические соли. В большинстве своем необходимы для синтеза строительных молекул-блоков типа мононуклеотидов, серосодержащих аминокислот, для участия в разнообразных каталитических процессах. Например, магний имеет отношение более чем к 20 ферментативным реакциям и необходим для функционирования рибосом. Калий важен для синтеза белков. Кобальт входит в состав витамина В12 .
Концентрация неорганических солей во внешней и внутренней среде оказывает существенное влияние на физиологическое состояние клетки, в том числе и микробной. В этой связи, по отношению к неорганическим солям, т.е. по способности выдерживать различные концентрации NaCl в питательной среде, микроорганизмы разделяют на несколько групп:
- крайние галлофилы – 5-36%
- умеренные галлофилы – 0-20%
- морские организмы – 0-5%
- негаллофилы – 0-1%
Двуокись углерода. После воды наиболее значительна из числа малых молекул. Для некоторых видов бактерий является единственным источником углерода.
Азот. Для синтеза таких жизненно важных молекул, как нуклеиновые кислоты и белки, является необходимой составляющей.
Аминокислоты. Значение их определяется тем, что именно из них формируется важнейшая молекула любого организма – белок. Определяющее влияние на свойства огромного разнообразия белковых молекул оказывают тип аминокислот, порядок их соединения и пространственное взаимодействие между ними. Из около 300 известных аминокислот живая природа отобрала лишь 20. Важнейшая функция аминокислот в живой клетке – образование пептидной связи, Ра основе которой строятся макромолекулярные белки.
Органические кислоты. Как промежуточные соединения являются исходным материалом для синтеза целого ряда моноблоков, формирующих более крупные, в том числе макромолекулы.
Жирные кислоты. Являются компонентами липидов в клеточных мембранах и в виде свободных включений могут находиться в цитоплазматическом содержимом различных микроорганизмов.
Простые сахара. Являются первичными малыми биомолекулами, играющими важнейшую роль как энергосубстраты, структурные блоки полисахаридов и полисахаридсодержащих молекул в микробной клетке.
Мононуклеотиды. Являются важной группой малых внутриклеточных молекул, участвующих в формировании структур, хранящих и передающих наследственную информацию.
Основной носитель наследственной информации – молекула ДНК состоит из 4-х мононуклеотидов: аденин, гуанин, тимин, цитозин. Молекула РНК вместо тимина содержит урацил, а вместо дезоксирибозы – рибозу.
Некоторые нуклеотиды в соответствующих реакциях высвобождают большое количество энергии, как например молекула АТФ – универсальный источник энергии в живой клетке. При гидролизе 1 моля АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) высвобождается около 3768 кДж энергии.
Кроме того, мононуклеотиды могут выступать структурной составляющей некоторых витаминов и коферментов.
Витамины. Представляют собой группу разнообразных по строению химических веществ, принимающих участие во многих реакциях клеточного метаболизма. Они не являются структурными компонентами живой материи и не используются в качестве источников энергии. В ряде случаев в клетку поступают предшественники витаминов, так называемые провитамины, и там превращаются в активные формы витаминов.
Ретинол, витамин А. Жирорастворимый витамин. Чаще всего биохимическая основа действия витамина А связана с влиянием на проницаемость клеточных мембран и защиту от фотохимического повреждения. Кроме того, было установлено, что витамин А сорбируется на мембранах эндоплазматической сети, влияя на созревание и транспорт секреторных белков.
Эргокальциферол, витамин D. Жирорастворимый витамин.
Тиамин, витамин В1. Водорастворимый витамин.Участвует в реакции окислительногодекарбоксиоирования. Синтезируется в разных количествах многими микроорганизмами. У некоторых же отсутствует такой синтез, что требует внесения его препаратов в питательные среды для таких видов микроорганизмов.
Рибофлавин, витамин В2. Водорастворимый витамин.Служит предшественником коферментов, участвующих в реакциях окислительного фосфорилирования. Синтезируется большинством бактерий и грибов. Некоторые нуждаются в поступлении извне.
Пантотеновая кислота, витамин В3. Водорастворимый витамин.Входит в состав кофермента А и ацетилпереносящего белка, производные которых участвуют более чем в 70 ферментных реакциях. Самостоятельным синтезом обладает абсолютное большинство микроорганизмов.
Холин, витамин В4. Водорастворимый витамин. Обнаруживается в мембранных структурах многих микроорганизмов. Может выступать субстратом некоторых ферментов в митохондриях эукариот.
Никотинамид, витамин В5 (РР). Водорастворимый витамин. Выступает коферментом в окислительно-восстановительных реакциях. Синтезируется многими микроорганизмами.
Пиридоксин, витамин В6. Водорастворимый витамин. Является предшественником кофермента всех трансаминаз. Образуется большинством микроорганизмов, лишь отдельные мутанты нуждаются в поступлении извне.
Инозитол, витамин В8. Участвует в липидном и углеводном обменах. Обнаруживается у кислотоустойчивых бактерий в виде составной части липидов.
Фолиевая кислота, витамин В9. Водорастворимый витамин. Участвует в метаболизме аминокислот, образовании пуринов и тиамина.
Цианкобаламин, витамин В12. Является коферментом в синтезе СН4- группы различными анаэробами, а также участвует в реакциях трансметилирования. Синтезируется исключительно бактериями и выделяется из культуральной жидкости в виде цианкобаламина.
Оротовая кислота, витамин В13. Выступает фактором роста некоторых бактерий. Синтезируется различными дрожжами.
Пангамовая кислота, витамин В15. Участвует в реакциях метилирования и трансметилирования. Обнаружен в клетках многих эукариот, в том числе дрожжей.
Биотин, витамин Н. Входит в состав ряда ферментов катализирующих включение СО2 в органические соединения. Большинство микроорганизмов самостоятельно его синтезируют. Однако для дрожжей Candida и Saccharomyces выступает фактором роста.
Аскорбиновая кислота, витамин С. Водорастворимый витамин. Проявляет выраженные окислительно-восстановительные свойства.
Липоевая кислота, витамин N. Участвует в окислительном декарбоксилировании α -кетокислот. Синтезируется большинством про- и эукариот.
Наиболее сложными и физиологически значимыми представителями больших, т.е. макромолекул, являются нуклеиновые кислоты.
ДНК. Молекула построена из уже рассмотренных мононуклеотидов, соединенных в полимерную нить. Информационная сущность ДНК заключается в последовательности пуриновых и пиримидиновых оснований, в то время как качественный и количественный состав в различных сопоставляемых отрезках может быть одинаков. При анализе состава молекул ДНК разных микроорганизмов было установлено, что количество адениновых оснований (А) равно количеству тиминовых (Т), т.е. А=Т. Такое же отношение установлено для гуаниновых (Г) и цитозиновых (Ц) оснований, т.е. Г=Ц. Отношение ∑ А+Т к ∑ Г+Ц положено в основу подразделения ДНК на три типа:
А+Т > Г+ЦА+Т = Г+Ц А+Т < Г+Ц.
Например, у Sacch. cerevisiae это соотношение составляет 1,79, а у E. coli оно равно 0,93.
РНК. Это полимер из пуриновых и пиримидиновых оснований, в котором, в отличие от ДНК, вместо тимина содержится урацил, а вместо дезоксирибозы – рибоза.
РНК всех про- и эукариот делят на три основные класса, выполняющие соответствующие функции:
Матричная (м РНК)
Рибосомальная (р РНК)
Транспортная (т РНК)
Нативная РНК преимущественно однонитевая, однако в отдельных случаях, существуют природные двухнитевые РНК. Например: киллер-плазмида дрожжей, индуктор интерферона человека.
В однонитевых РНК существует количественное равенство: А=У и Г=Ц.
Белки (протеины). Это высокомолекулярные полипептиды и их производные. Белки, состоящие только из аминокислот, называются простыми. Если в состав белков входят небелковые (простетические) группы, то их называют сложными. Простетические группы, чаще всего, представлены углеводами, нуклеиновыми кислотами, металлами, липидами.
Кроме белковых молекул микроорганизмы включают большое разнообразие пептидов, содержащих от 3 до 100 аминокислот. Например тетра- и пентапептиды входят в состав пептидогликана клеточной стенки бактерий.
Полисахариды. Самые распространенные в природе биополимеры. Полисахариды, образуемые микроорганизмами, различаются как по составу, так и по молекулярной массе, которая может достигать 108 Da.
При связывании углеводных цепей с белками или липидами образуются макромолекулы, объединенные в группу гликоконьюгатов. К этой группе относятся:
- гликопротеины, широко распространенные среди представителей микробного мира и выполняющие структурные, транспортные, каталитические, а также функции узнавания и присоединения. К этой группе относятся и некоторые ферменты микроорганизмов (амилаза, рибонуклеаза), а также большинство аллергенов патогенных грибов;
- пептидогликаны, типичным представителем которых и наиболее распространенным в микробном мире является муреиновый каркас клеточной стенки;
- липополисахариды, обнаруженные в клеточной стенке грамотрицательных бактерий и крайне разнообразные по своему строению. Именно эта группа макромолекул обладает свойствами эндотоксина, обусловленного присутствием липида А. Полисахаридная составляющая определяет О-антигенную специфичность клетки.
Липиды. Представлены гетерогенной группой молекул, родственных жирным кислотам. К ним относятся жиры, масла, воски и родственные им вещества.
К этой обширной группе биологически активных веществ относятся простагландины, представляющие серьезный интерес для медицины.
Фосфолипидные комплексы представлены в клеточных мембранах бактерий.
Некоторые стероидные липиды могут выступать факторами роста для микоплазм.
Липопротеиновые комплексы являются составной частью клеточной стенки грамотрицательных бактерий.
Таким образом, макромолекулярные комплексы – это основа надмолекулярных структур, определяющих структурно-функциональную активность клетки любого организма, независимо от его организации.
Существует несколько основополагающих критериев, отличающих две основные формы клеточного существования материи – эукариоты и прокариоты:
1. Прокариоты очень малы.
2. Компартментализацияпрокариотической клетки значительно менее выражена морфологически, а значит и функционально.
3. Вся генетическая информация протоцита содержится в единственной нити ДНК, названной «бактериальной хромосомой».
4. Размножение, как правило, происходит путем бинарного деления.
5. Химический компонент клеточной стенки прокариот – пептидогликан – является характерным гетерополимером и не встречается у эукариот.
Тем не менее, перечисленные морфо-функциональные особенности прокариот позволяют клетке самостоятельно выполнять необходимые жизнеобеспечивающие функции.