Бактериите живеят на планетата Земя повече от 3,5 милиарда години. През това време те научиха много и се адаптираха към много. Като всички живи същества, бактериите се характеризират с процеси като хранене, дишане, размножаване и образуване на спори.
Те произвеждат ензими и пигменти, чието присъствие се използва за идентифициране на микроорганизми. Цяла група ензими се използва широко в биотехнологиите (генно инженерство, фармацевтична, лека и хранително-вкусова промишленост).
Ролята на бактериите в природата е глобална. Полезните бактерии изпълняват две от най-важните екологични функции – фиксират азота и участват в минерализацията на органичните остатъци. Те участват в движението, концентрацията и разпръскването на химичните елементи в земната биосфера. Бактериите напълно осигуряват човешкия живот.
Ориз. 1. Снимката показва колония от Bacillus subtilis.
Ориз. 2. Снимката показва колонии от бактерии, всяка от които има милиони индивиди. Всяка колония е потомство на една клетка. Порастват за 1-3 дни.
Химичен състав на бактериите и метаболизъм
Бактериите, както всички други клетки, са 75-85% вода. Останалата част се състои от органични и минерални вещества.
Ензими
Катализаторите на метаболизма в бактериалната клетка са ензими. Небелтъчната (простетичната) група ензими включва мед, желязо, кобалт и цинк. Някои бактерии имат витамини и техните производни.
вода
Водата е в основата на клетъчната цитоплазма. В него протичат много биохимични реакции, веществата, влизащи в клетката, се разтварят и метаболитните продукти се отстраняват. Малка част от водата е свързана с клетъчни структури. Загубата на вода на повече от 50% от необходимото количество за живота на бактериите води до тяхната смърт.
Органична материя
Една бактериална клетка съдържа от 6 до 14% протеини, 1-4% мазнини, въглехидрати и нуклеинови киселини.
Протеините са в основата на всяка клетка. В бактериалните клетки те формират основата на цитоплазмата. Има много от тях в клетъчната мембрана. Те са част от някои клетъчни структури, включително ензими, които катализират метаболитни реакции. Хиляди протеинови молекули са подредени по дължината на ДНК молекулата.
мазнини
Липидите (мазнините) са енергийният материал на бактериалната клетка. Липопротеините, които съдържат мазнини, формират основата на цитоплазмената мембрана. В цитоплазмата се намират под формата на гранули и представляват енергийния резерв на клетката.
Въглехидрати
Въглехидратите се намират в цитоплазмата, мембраните и капсулата на бактерията и са представени от сложни въглехидрати. Въглехидратите в клетката са под формата на полизахариди – нишесте, декстрин, гликоген и фибри. Подобно на мазнините, въглехидратите под формата на гликоген се отлагат в цитоплазмата и представляват резерв от енергиен материал.
Минерали
Катализаторите на метаболизма в бактериалната клетка са ензими. Небелтъчната (простетичната) група ензими включва мед, желязо, кобалт и цинк. Някои бактерии имат витамини и техните производни. Минералите под формата на фосфор, натрий, магнезий, хлор и сяра са част от протеините. Те участват в метаболизма и поддържат нормално вътреклетъчно осмотично налягане.
витамини
Витамините са част от небелтъчната (простетичната) група бактериални ензими. Някои бактерии сами синтезират витамини B2 или B12. С участието на бифидо-, лакто-, ентеробактерии и Е. coli се синтезират витамини К, С, група В (В1, В2, В5, В6, В7, В9 и В12), фолиева и никотинова киселина.
Ориз. 3. Снимката показва разрез на бактериална клетка. В централната част се вижда нуклеотид. Следват цитоплазмата и клетъчната мембрана.
Хранителните вещества преминават през клетъчната стена чрез дифузия в бактерията и метаболитните продукти излизат навън. Фактори, влияещи върху снабдяването на бактериалната клетка с хранителни вещества:
концентрация на веществото,
размер на молекулите
pH на околната среда,
мембранна пропускливост и др.
Посрещане на търсенето на въглерод
Автотрофни бактерии За получаване на въглерод се използва само въглероден диоксид. Това е техният единствен източник на въглерод.
Хетеротрофни бактерии За получаване на въглерод те използват различни съединения, съдържащи въглерод - хексози, многовалентен алкохол, въглеводороди.
Редица бактерии използват за тези цели органични вещества и аминокиселини.
Задоволяване на нуждите от азот
За нормален живот бактериите се нуждаят от аминокиселини, пурини, пиримидини и някои витамини, чийто синтез изисква азот.Ето как азотфиксиращите бактерии абсорбират молекулярен азот от атмосферния въздух. Други бактерии са способни да асимилират неорганичен азот от нитрити, нитрати и амониеви соли. Други пък консумират азот от органични съединения, изразходвайки тяхната енергия.
Ориз. 4. Синьо-зелените водорасли - цианобактериите - са способни да свързват азота и да образуват амоняк.
Задоволяване на нуждите на бактериите от микроелементи
За нормалното функциониране на бактериите са необходими сяра, фосфор, магнезий, калий, калций, желязо и други микроелементи.
Автотрофите живеят в кислородна среда и използват синтеза на органични вещества от неорганични вещества за получаване на въглерод и енергия.
фотосинтеза
Фотоавтотрофите използват слънчевата енергия, за да синтезират органични вещества от неорганични. Те включват зелени водорасли, лилави водорасли и цианобактерии. Процесът се нарича фотосинтеза.
Хемосинтеза
Хемосинтетичните бактерии използват реакции на химично окисление, за да синтезират органични вещества от неорганични. Процесът се нарича хемосинтеза.
Серни бактерии - получаване на енергия чрез окисляване на сярата.
Нитрифициращи бактерии - получаване на енергия чрез окисление на амоний и нитрит.
Железни бактерии - получаване на енергия чрез окисление на двувалентно желязо.
Водородни бактерии - получаване на енергия чрез окисление на водород.
Метилотрофи За получаване на въглерод и енергия се използват окислени или заместени метанови производни. Днес те представляват особен интерес като обекти на биотехнологиите. С тяхна помощ се произвеждат протеини, ензими, липиди, хормони, антиоксиданти, пигменти, полизахариди, желязотранспортни фактори и др.
Ориз. 5.Зелени серни бактерии в колоната на Виноградски.
Хетеротрофни бактерии
Хетеротрофните бактерии използват готови органични вещества, за да изградят тялото си и да осигурят жизнените му функции.
Сапрофити хранят се с остатъците от мъртва органична материя. За да разграждат хранителните вещества, те отделят храносмилателни ензими (млечна киселина и гниещи бактерии и др.) В субстрата.
Симбиотни бактерии винаги живеят с други организми. Те се ползват взаимно (нодулни бактерии на бобови растения).
Паразитни бактерии консумират хранителни вещества от клетките гостоприемници - менингококи, гонококи и др.
Паразитен и сапрофитен начин на живот се причиняват от тиф, антракс, бруцелоза и др.
Ориз. 6. Снимката показва корените на бобовите растения. Бобовите растения не могат сами да абсорбират азот от въздуха. Нодулните бактерии проникват в корените им. Те свързват азота от въздуха, образувайки вещества, достъпни за растенията. Самите растения отделят органични вещества, които служат за храна на бактериалната клетка.
Ориз. 7. Нодулните бактерии се концентрират около ядрото на растителната клетка и активно се размножават, образувайки инфекциозни нишки, по които се движат. Те създават стотици килограми тор, съдържащ азот на хектар почва.
1. В бактериални клетки, които при оцветяване с Грам придобиват лилав цвят (грам-положителен), клетъчната стена е дебела, многослойна. Ензимите, отговорни за разграждането на хранителните вещества, се освобождават и разграждат големи молекули протеини, полизахариди и други биополимери на по-прости фрагменти.
2.Бактерии, които изглеждат червени при оцветяване с петна по Грам (грам-отрицателни), клетъчната стена е тънка. Хранителните вещества, които влизат в клетката, се разграждат в периплазменото пространство (пространството между клетъчната стена и цитоплазмената мембрана) от хидролитични ензими.
Хранителните вещества и йони влизат в бактериалната клетка по три начина:
Пасивна дифузия става без използване на енергия. В този случай се използва разликата в концентрациите на веществото (концентрационен градиент). Това правят малките полярни и неполярни кислородни молекули, стероиди, мастни киселини, вода, въглероден диоксид, азот, етанол и урея.
ОТНОСНОулеснена дифузия Транспортирането на необходимите за клетката вещества става с помощта на специални протеини, които образуват канали в клетъчната мембрана, пълни с вода, улеснявайки преминаването на необходимите молекули.
Активен транспорт се основава на работата на транспортни протеини, които изпомпват вещества, разтворени във вода, срещу техния градиент. Такава работа винаги изисква разход на енергия.
Когато се окисляват вещества от органичен или неорганичен характер, се освобождава енергия, която е толкова необходима на бактериалната клетка. Отива за образуването на АТФ молекули - източник на енергия. За да овладеят енергията на химичните реакции, повечето бактерии използват кислород. Този процес се нарича дишане.
Аеробни бактерии (аероби)
Аеробите се развиват в среда, съдържаща кислород.
Облигатни аероби се развиват само при наличие на достатъчно кислород в околната среда. Този тип дишане е характерен за бактериите, живеещи в почвата, във водната среда и във въздуха.Тяхното дишане става чрез окисление на сероводород, метан, водород, желязо и азот (Sulfomonas denitrificans, B. methanicus, B. hydrogenes, Ferri bacterium и Nitrosomonas, Nitrobacter). Бактериите от тази група участват активно в кръговрата на веществата в природата. Патогенните бактерии от рода Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella и др. се нуждаят от кислород. Микобактериите на туберкулозата, туларемията и холерата се нуждаят от повишени нива на кислород.
Факултативни бактерии способни са да се развиват при наличие на минимално количество кислород в околната среда - салмонела, шигела, ешерихия и др.
Ориз. 8. На снимката амонифициращите бактерии разграждат останките от мъртви животни и растения.
Ориз. 9. Целулозните бактерии разлагат фибрите. В резултат на тяхната работа почвата се обогатява с хумус, което значително повишава нейното плодородие, а въглеродният диоксид се връща в атмосферата. Вътреклетъчните симбионти са оцветени в зелено, а масата на обработената дървесина е жълта.
Анаеробни бактерии (анаероби)
Анаеробите се развиват без достъп до кислород, разлагайки органичните съединения в среда без кислород. Свободният кислород инхибира ензимната активност на тези бактериални клетки. Бактериите от този тип живеят в купчини компост, рани на болен човек и чревния тракт на хора и животни.
Облигатни анаероби не се развиват при наличие на кислород в околната среда (бактерии от рода Clostridium, бактерии, които причиняват млечнокисела и масленокисела ферментация).
Факултативни анаероби развиват се в присъствието на кислород или без него (коки).
С малко кислород могат да се развият микроаерофили Clostridium histolyticum, Clostridium tertium и др.
Ориз. 10.На снимката се вижда газова гангрена. Заболяването се причинява от анаеробни бактерии от рода Clostridium.
Ориз. 11. Снимката показва антракс. Заболяването се причинява от анаеробни бактерии от рода Bacillus.
Ориз. 12. Biosporin-Biopharma е местно лекарство, съдържащо апатогенни бактерии от рода Bacillus. Спорите на Bacillus отделят антимикробни вещества, които могат да инхибират растежа на редица опортюнистични бактерии, без да засягат нормалната чревна микрофлора.
Всички биохимични процеси в бактериалната клетка протичат с помощта на ензими - биологични катализатори на химичните реакции в живата система. Действието им е насочено само към едно вещество. Ензимите са специфични за всеки вид бактерии. Микроорганизмите се идентифицират чрез наличието на определени ензими.
Ензимите на бактериалната клетка се състоят от 2 части - протеинови и непротеинови (протетични). Протеиновата част се състои от прости протеини. Небелтъчната част включва микроелементи като желязо, мед, кобалт, цинк, витамини и техните производни.
В зависимост от вида на каталитичните свойства ензимите се делят на 6 групи: оксидоредуктази, трансферази, хидролази, лиази, изомерази и лигази.
Лигазите и рестрикционните ензими се използват широко в биотехнологиите (генно инженерство, фармацевтична, лека и хранително-вкусова промишленост).
Ензимите в бактериалната клетка не са разпределени произволно, а по строго подреден начин.
Ензимите, отговорни за енергийния метаболизъм и транспорта на хранителни вещества, се намират в цитоплазмата на клетките.
Ензимите, участващи в синтеза на протеини, са свързани с рибозомите. Редица ензими се намират хаотично в цитоплазмата.
Ендоензими функция вътре в бактериалната клетка.Те ускоряват реакциите на биосинтеза и катаболизъм. Екзоензими се секретират навън от клетката, където хранителните вещества се разграждат на по-прости.
Хидролитични ензими участват в разграждането на макромолекулите. Като субстрат за тях служат различни захари.
Протеолитични ензими разграждат протеини.
Патогенните бактерии отделят ензими, които разрушават тъканите на човешкото, животинското или растителното тяло. Например стафилококите отделят плазмокоагулаза, основният фактор за патогенността на микроба.
Ориз. 13. Способността на оцетните пръчици да окисляват етилов алкохол до оцетна киселина днес се използва за производство на оцет, използва се за хранителни цели и при приготвянето на храна за животни - силажиране (консервиране). Снимката показва процеса на силажиране на фуража. Силажът е сочен фураж с висока хранителна стойност.
Ориз. 14. Снимката показва колонии от бактерии, които растат и се размножават върху капка масло. Те произвеждат повърхностно активни вещества, причинявайки разпространението (изтичането) на масления филм. Широко прилагани дейности ксенобактерии за почистване на почви и водоеми, замърсени с нефтопродукти.
Някои бактерии могат да светят (луминесцират) на тъмно. Светенето е свързано с освобождаването на ензим луцифераза, който образува светлинни кванти в резултат на редокс реакции. Учените днес не са намерили отговори на много въпроси, свързани с този феномен.
Колонизирайки се върху субстрати, бактериите причиняват луминесценция, като например рибени люспи, гъби, гниещи дървета и хранителни продукти. Много от тях са способни да се възпроизвеждат в среда с високо съдържание на сол (халофилни видове).
Ориз. 15. Снимката показва светещи бактерии.
Ориз. 16.Светещите бактерии са причината морето да свети.
По време на живота си някои бактерии произвеждат ароматни вещества (етилов ацетат и амилацетатни естери), които придават специален аромат на вина, сирена и ферментирали млечни продукти.
Ориз. 17. Снимката показва кефирена гъба. В него живеят и се размножават заедно повече от десет микроорганизми (симбиоза). Основните са млечната мая, оцетната киселина и лактобацилите.
Почти всички бактерии произвеждат пигменти по време на живота си.
Пигментът се намира между клетките и има вид на зърна при Bacterium prodigiosum и Staphylococcus aureus.
При Bacterium violaceum пигментът се намира в черупката.
Bacterium pyocyaneum освобождава пигмент в околната среда.
Някои бактерии са водоразтворими и оцветяват хранителната среда. Пигментите Staphylococcus и Sarcin (жълти пигменти) са разтворими в алкохол, но не и във вода. Кафявите и черните пигменти на дрождите и плесените не се разтварят нито в алкохол, нито във вода.
Пигментите се образуват в присъствието на кислород. Те имат голямо разнообразие от цветове. Физиологичната им роля не е напълно установена от учените.
В момента химичният състав и естеството на пигментите, които синтезират бактериите, се изучават широко. Пигментите са биологично активни вещества - антибиотици, фитонциди, стимулатори на растежа. Пигментите, заедно с други фактори, са инструмент за тяхната таксономия. Руски учени първи установиха връзка между бактериалните пигменти и техните физиологични функции.
Ориз. 18. На снимката отляво надясно: бактерия на Морган, Pseudomonas aeruginosa, неинокулирана контрола, Proteus Mirabilis и Escherichia coli, отглеждани в среда на Kligler (съдържа железен цитрат).
Ориз. 19.На снимката колониите от микрококи са жълти.
Ориз. 20. На снимката колонията на Bacterium prodigiosum е кървавочервена на цвят.
Ориз. 21. На снимката колонията на Bacteroides niger е черна.
Ориз. 22. На снимката има синьо-зелена колония от Pseudomonas aeruginosa цветове.
Като всички живи същества, бактериите се характеризират с процеси като хранене, дишане, размножаване и образуване на спори. Те произвеждат ензими и пигменти, чието присъствие се използва за идентифицирането им. В продължение на милиони години бактериите са усвоили почти всички известни биохимични процеси. Те участват в движението на концентрация и разпръскване на химичните елементи в земната биосфера и напълно осигуряват човешкия живот.
