Bakterie žijí na planetě Zemi více než 3,5 miliardy let. Během této doby se hodně naučili a mnohému se přizpůsobili. Stejně jako všechny živé věci jsou i bakterie charakterizovány procesy, jako je výživa, dýchání, rozmnožování a tvorba spór.
Produkují enzymy a pigmenty, jejichž přítomnost se využívá k identifikaci mikroorganismů. Celá skupina enzymů je široce používána v biotechnologiích (genetické inženýrství, farmaceutický, lehký a potravinářský průmysl).
Role bakterií v přírodě je globální. Prospěšné bakterie plní dvě nejdůležitější environmentální funkce – fixují dusík a podílejí se na mineralizaci organických zbytků. Podílejí se na pohybu, koncentraci a rozptylu chemických prvků v biosféře Země. Bakterie zcela zajišťují lidský život.
Rýže. 1. Na fotografii je kolonie Bacillus subtilis.
Rýže. 2. Fotografie ukazuje kolonie bakterií, z nichž každá má miliony jedinců. Každá kolonie je potomkem jedné buňky. Rostou za 1-3 dny.
Chemické složení bakterií a metabolismus
Bakterie, stejně jako všechny ostatní buňky, jsou ze 75–85 % tvořeny vodou. Zbytek tvoří organické a minerální látky.
Enzymy
Katalyzátory metabolismu uvnitř bakteriální buňky jsou enzymy. Neproteinová (protetická) skupina enzymů zahrnuje měď, železo, kobalt a zinek. Některé bakterie mají vitamíny a jejich deriváty.
Voda
Voda je základem buněčné cytoplazmy. Probíhá v něm mnoho biochemických reakcí, látky vstupující do buňky se rozpouštějí, odstraňují se produkty látkové výměny. Malá část vody je spojena s buněčnými strukturami. Ztráta vody více než 50 % množství potřebného pro život bakterií vede k jejich smrti.
Organická hmota
Bakteriální buňka obsahuje 6 až 14 % bílkovin, 1 až 4 % tuků, sacharidů a nukleových kyselin.
Proteiny jsou základem každé buňky. V bakteriálních buňkách tvoří základ cytoplazmy. V buněčné membráně je jich mnoho. Jsou součástí některých buněčných struktur, včetně enzymů, které katalyzují metabolické reakce. Podél molekuly DNA jsou uspořádány tisíce molekul bílkovin.
Tuky
Lipidy (tuky) jsou energetickým materiálem bakteriální buňky. Lipoproteiny, které obsahují tuky, tvoří základ cytoplazmatické membrány. V cytoplazmě se nacházejí ve formě granulí a tvoří energetickou rezervu buňky.
Sacharidy
Sacharidy se nacházejí v cytoplazmě, membránách a pouzdru bakterie a jsou představovány komplexními sacharidy. Sacharidy jsou v buňce ve formě polysacharidů – škrobu, dextrinu, glykogenu a vlákniny. Sacharidy ve formě glykogenu se stejně jako tuky ukládají v cytoplazmě a představují zásobu energetického materiálu.
Minerály
Katalyzátory metabolismu uvnitř bakteriální buňky jsou enzymy. Neproteinová (protetická) skupina enzymů zahrnuje měď, železo, kobalt a zinek. Některé bakterie mají vitamíny a jejich deriváty. Minerály ve formě fosforu, sodíku, hořčíku, chloru a síry jsou součástí bílkovin. Účastní se metabolismu a udržují normální intracelulární osmotický tlak.
Vitamíny
Vitamíny jsou součástí neproteinové (protetické) skupiny bakteriálních enzymů. Některé bakterie samy syntetizují vitamíny B2 nebo B12. Za účasti bifido-, lakto-, enterobakterií a E. coli jsou syntetizovány vitamíny K, C, skupina B (B1, B2, B5, B6, B7, B9 a B12), kyselina listová a nikotinová.
Rýže. 3. Fotografie ukazuje řez bakteriální buňkou. Ve střední části je viditelný nukleotid. Dále následuje cytoplazma a buněčná membrána.
Živiny procházejí buněčnou stěnou difúzí do bakterie a produkty látkové výměny odcházejí. Faktory ovlivňující zásobování bakteriální buňky živinami:
koncentrace látky,
velikosti molekul
pH prostředí,
propustnost membrány atd.
Uspokojení poptávky po uhlíku
Autotrofní bakterie K získání uhlíku se používá pouze oxid uhličitý. Je to jejich jediný zdroj uhlíku.
Heterotrofní bakterie K získání uhlíku používají různé sloučeniny obsahující uhlík – hexózy, vícesytný alkohol, uhlovodíky.
Řada bakterií k těmto účelům využívá organické látky a aminokyseliny.
Uspokojování potřeb dusíku
Pro normální život potřebují bakterie aminokyseliny, puriny, pyrimidiny a některé vitamíny, k jejichž syntéze je zapotřebí dusík.Bakterie fixující dusík takto absorbují molekulární dusík z atmosférického vzduchu. Jiné bakterie jsou schopny asimilovat anorganický dusík z dusitanů, dusičnanů a amonných solí. Ještě jiní spotřebovávají dusík z organických sloučenin a vydávají svou energii.
Rýže. 4. Modrozelené řasy - sinice - jsou schopny vázat dusík a tvořit čpavek.
Uspokojení potřeby mikroživin bakterií
Pro normální fungování bakterií je zapotřebí síra, fosfor, hořčík, draslík, vápník, železo a další mikroelementy.
Autotrofy žijí v kyslíkovém prostředí a k získávání uhlíku a energie využívají syntézu organických látek z anorganických látek.
Fotosyntéza
Fotoautotrofy využívají sluneční energii k syntéze organických látek z anorganických. Patří mezi ně zelené řasy, fialové řasy a sinice. Proces se nazývá fotosyntéza.
Chemosyntéza
Chemosyntetické bakterie využívají chemické oxidační reakce k syntéze organických látek z anorganických. Proces se nazývá chemosyntéza.
Sirné bakterie - získat energii oxidací síry.
Nitrifikační bakterie - získat energii oxidací amonia a dusitanů.
Železné bakterie - získat energii oxidací dvojmocného železa.
Vodíkové bakterie - získat energii oxidací vodíku.
Methylotrofy K získání uhlíku a energie se používají oxidované nebo substituované deriváty metanu. Dnes jsou předmětem zvláštního zájmu jako předměty biotechnologie. S jejich pomocí se vyrábí protein, enzymy, lipidy, hormony, antioxidanty, pigmenty, polysacharidy, transportní faktory železa atd.
Rýže. 5.Zelené sirné bakterie ve Winogradského sloupci.
Heterotrofní bakterie
Heterotrofní bakterie využívají ke stavbě svého těla a zajištění jeho životních funkcí již hotové organické látky.
Saprofyti živí se zbytky mrtvé organické hmoty. K štěpení živin vylučují do substrátu trávicí enzymy (kyselinu mléčnou a hnilobné bakterie atd.).
Symbiote bakterie vždy žít s jinými organismy. Vzájemně si prospívají (uzlinové bakterie nahosemenných rostlin).
Parazitické bakterie konzumují živiny z hostitelských buněk – meningokoky, gonokoky atd.
Parazitický a saprofytický životní styl jsou způsobeny tyfem, antraxem, brucelózou atd.
Rýže. 6. Na fotografii jsou kořeny luskovinových rostlin. Luštěniny nedokážou samy absorbovat dusík ze vzduchu. Bakterie uzlíků pronikají do jejich kořenů. Vážou dusík ze vzduchu a tvoří látky dostupné rostlinám. Rostliny samy vylučují organické látky, které slouží jako potrava pro bakteriální buňku.
Rýže. 7. Bakterie uzlíků se soustřeďují kolem jádra rostlinné buňky a aktivně se množí, tvoří infekční vlákna, po kterých se pohybují. Vytvářejí stovky kilogramů hnojiva obsahujícího dusík na hektar půdy.
1. V bakteriálních buňkách, které po obarvení Gramem získají fialovou barvu (grampozitivní), buněčná stěna je silná, vícevrstvá. Uvolňují se enzymy odpovědné za rozklad živin a rozkládají velké molekuly proteinů, polysacharidů a dalších biopolymerů na jednodušší fragmenty.
2.Bakterie, které se zdají červené, když jsou obarveny Gramovými skvrnami (gramnegativní), buněčná stěna je tenká. Živiny, které vstupují do buňky, jsou rozkládány v periplazmatickém prostoru (prostor mezi buněčnou stěnou a cytoplazmatickou membránou) hydrolytickými enzymy.
Živiny a ionty vstupují do bakteriální buňky třemi způsoby:
Pasivní difúze probíhá bez použití energie. V tomto případě se používá rozdíl v koncentracích látky (koncentrační gradient). To dělají malé polární a nepolární molekuly kyslíku, steroidy, mastné kyseliny, voda, oxid uhličitý, dusík, etanol a močovina.
Ousnadněná difúze K transportu látek nezbytných pro buňku dochází pomocí speciálních proteinů, které tvoří kanály v buněčné membráně naplněné vodou a usnadňují průchod potřebných molekul.
Aktivní doprava je založena na práci transportních proteinů, které pumpují látky rozpuštěné ve vodě proti jejich gradientu. Taková práce vždy vyžaduje výdej energie.
Při oxidaci látek organické nebo anorganické povahy se uvolňuje energie, která je pro bakteriální buňku tak nezbytná. Jde o tvorbu molekul ATP – zdroje energie. K využití energie chemických reakcí využívá většina bakterií kyslík. Tento proces se nazývá dýchání.
Aerobní bakterie (aeroby)
Aeroby se vyvíjejí v prostředích obsahujících kyslík.
Povinné aeroby se vyvíjejí pouze za přítomnosti dostatečného množství kyslíku v prostředí. Tento typ dýchání je charakteristický pro bakterie žijící v půdě, ve vodním prostředí a ve vzduchu.K jejich dýchání dochází oxidací sirovodíku, metanu, vodíku, železa a dusíku (Sulfomonas denitrificans, B. methanicus, B. hydrogenes, Ferri bacterium a Nitrosomonas, Nitrobacter). Bakterie této skupiny se aktivně účastní koloběhu látek v přírodě. Patogenní bakterie rodu Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella aj. potřebují kyslík Mykobakterie tuberkulózy, tularémie a cholery.
Fakultativní bakterie jsou schopny se vyvíjet za přítomnosti minimálního množství kyslíku v prostředí – Salmonella, Shigella, Escherichia aj.
Rýže. 8. Na fotografii amonifikační bakterie rozkládají zbytky mrtvých zvířat a rostlin.
Rýže. 9. Bakterie celulózy rozkládají vlákninu. V důsledku jejich práce se půda obohacuje o humus, který výrazně zvyšuje její úrodnost, a oxid uhličitý se vrací do atmosféry. Intracelulární symbionti jsou zbarveni zeleně a hmota zpracovaného dřeva je žlutá.
Anaerobní bakterie (anaeroby)
Anaeroby se vyvíjejí bez přístupu kyslíku, rozkládají organické sloučeniny v prostředí bez kyslíku. Volný kyslík inhibuje enzymatickou aktivitu těchto bakteriálních buněk. Bakterie tohoto typu žijí v kompostech, v ranách nemocného člověka a ve střevním traktu lidí a zvířat.
Povinné anaeroby se nevyvíjejí v přítomnosti kyslíku v prostředí (bakterie rodu Clostridium, bakterie způsobující kvašení kyseliny mléčné a máselné).
Fakultativní anaeroby se vyvíjejí za přítomnosti kyslíku nebo bez něj (koky).
S malým množstvím kyslíku se mohou vyvinout mikroaerofyly Clostridium histolyticum, Clostridium tertium aj.
Rýže. 10.Na fotografii je plynová gangréna. Onemocnění způsobují anaerobní bakterie rodu Clostridium.
Rýže. 11. Na fotografii je antrax. Onemocnění způsobují anaerobní bakterie rodu Bacillus.
Rýže. 12. Biosporin-Biopharma je domácí lék obsahující apatogenní bakterie rodu Bacillus. Spory Bacillus vylučují antimikrobiální látky, které mohou inhibovat růst řady oportunních bakterií, aniž by ovlivnily normální střevní mikroflóru.
Všechny biochemické procesy v bakteriální buňce probíhají za pomoci enzymů – biologických katalyzátorů chemických reakcí v živém systému. Jejich akce je zaměřena pouze na jednu látku. Enzymy jsou specifické pro každý typ bakterií. Mikroorganismy jsou identifikovány přítomností určitých enzymů.
Enzymy bakteriální buňky se skládají ze 2 částí - proteinové a neproteinové (protetické). Proteinová část se skládá z jednoduchých bílkovin. Neproteinová část zahrnuje mikroelementy jako železo, měď, kobalt, zinek, vitamíny a jejich deriváty.
Podle typu katalytických znaků se enzymy dělí do 6 skupin: oxidoreduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, izomerázy a ligázy.
Ligázy a restrikční enzymy jsou široce používány v biotechnologiích (genetické inženýrství, farmaceutický, lehký a potravinářský průmysl).
Enzymy v bakteriální buňce nejsou distribuovány náhodně, ale přísně uspořádaným způsobem.
Enzymy odpovědné za energetický metabolismus a transport živin se nacházejí v cytoplazmě buněk.
Enzymy zapojené do syntézy proteinů jsou spojeny s ribozomy. V cytoplazmě se chaoticky nachází řada enzymů.
Endoenzymy funkce uvnitř bakteriální buňky.Urychlují biosyntézu a katabolické reakce. Exoenzymy jsou vylučovány ven buňkou, kde se živiny štěpí na jednodušší.
Hydrolytické enzymy podílet se na rozkladu makromolekul. Jako substrát jim slouží různé cukry.
Proteolytické enzymy rozkládat bílkoviny.
Patogenní bakterie vylučují enzymy, které ničí tkáně lidského, zvířecího nebo rostlinného těla. Například stafylokoky vylučují plazmakoagulázu, hlavní faktor patogenity mikroba.
Rýže. 13. Schopnost octových tyčinek oxidovat ethylalkohol na kyselinu octovou se dnes využívá k výrobě octa, používaného pro potravinářské účely a při přípravě krmiva pro zvířata - silážování (konzervování). Fotografie ukazuje proces silážování píce. Siláž je šťavnaté krmivo s vysokou nutriční hodnotou.
Rýže. 14. Fotografie ukazuje kolonie bakterií, které rostou a množí se na kapce oleje. Produkují povrchově aktivní látky, které způsobují roztahování (utíkání) olejového filmu. Široce aplikované aktivity xenobakterie k čištění půd a vodních ploch kontaminovaných ropnými produkty.
Některé bakterie jsou schopny svítit (luminiscovat) ve tmě. Záře je spojena s uvolňováním enzymu luciferáza, který tvoří světelná kvanta v důsledku redoxních reakcí. Vědci dnes nenašli odpovědi na mnoho otázek souvisejících s tímto fenoménem.
Kolonizací na substrátech způsobují bakterie luminiscenci, jako jsou rybí šupiny, houby, hnijící stromy a potravinářské produkty. Mnohé z nich jsou schopny se rozmnožovat v prostředí s vysokým obsahem soli (halofilní druhy).
Rýže. 15. Na fotografii jsou svítící bakterie.
Rýže. 16.Zářící bakterie jsou důvodem, proč moře září.
Některé bakterie produkují během svého života aromatické látky (estery kyseliny octové a amylacetátu), které dodávají vínu, sýrům a kysaným mléčným výrobkům zvláštní aroma.
Rýže. 17. Na fotografii je kefírová houba. Spolu v něm žije a rozmnožuje se více než deset mikroorganismů (symbióza). Mezi hlavní patří mléčné kvasinky, kyselina octová a laktobacily.
Téměř všechny bakterie produkují během svého života pigmenty.
Pigment se nachází mezi buňkami a má vzhled zrnek u Bacterium prodigiosum a Staphylococcus aureus.
U Bacterium violaceum se pigment nachází ve skořápce.
Bacterium pyocyaneum uvolňuje pigment do prostředí.
Některé bakterie jsou rozpustné ve vodě a barví růstové médium. Staphylococcus a Sarcin pigmenty (žluté pigmenty) jsou rozpustné v alkoholu, ale nerozpustné ve vodě. Hnědé a černé pigmenty kvasinek a plísní se nerozpouštějí ani v alkoholu, ani ve vodě.
Pigmenty se tvoří v přítomnosti kyslíku. Mají širokou škálu barev. Jejich fyziologická role nebyla vědci plně prokázána.
V současné době se široce studuje chemické složení a povaha pigmentů, které bakterie syntetizují. Pigmenty jsou biologicky aktivní látky – antibiotika, fytoncidy, stimulátory růstu. Pigmenty jsou spolu s dalšími faktory nástrojem jejich taxonomie. Ruští vědci byli první, kdo prokázal spojení mezi bakteriálními pigmenty a jejich fyziologickými funkcemi.
Rýže. 18. Na fotografii zleva doprava: Morganova bakterie, Pseudomonas aeruginosa, nenaočkovaná kontrola, Proteus Mirabilis a Escherichia coli pěstované v Kliglerově médiu (obsahuje citrát železitý).
Rýže. 19.Na fotografii jsou kolonie mikrokoků žluté.
Rýže. 20. Na fotografii má kolonie Bacterium prodigiosum krvavě červenou barvu.
Rýže. 21. Na fotografii je kolonie Bacteroides niger černá.
Rýže. 22. Na fotografii je modrozelená kolonie Pseudomonas aeruginosa barvy.
Stejně jako všechny živé věci jsou i bakterie charakterizovány procesy, jako je výživa, dýchání, rozmnožování a tvorba spór. Produkují enzymy a pigmenty, jejichž přítomnost se využívá k jejich identifikaci. Během milionů let si bakterie osvojily téměř všechny známé biochemické procesy. Podílejí se na pohybu koncentrace a rozptylu chemických prvků v zemské biosféře a plně zajišťují lidský život.
