Bakteerit ovat eläneet maapallolla yli 3,5 miljardia vuotta. Tänä aikana he oppivat paljon ja sopeutuivat moneen asiaan. Kuten kaikille eläville olennoille, bakteereille ovat ominaisia prosessit, kuten ravitsemus, hengitys, lisääntyminen ja itiöiden muodostuminen.
Ne tuottavat entsyymejä ja pigmenttejä, joiden läsnäoloa käytetään mikro-organismien tunnistamiseen. Bioteknologiassa (geenitekniikassa, lääketeollisuudessa, kevyessä ja elintarviketeollisuudessa) käytetään laajasti kokonaista entsyymien ryhmää.
Bakteerien rooli luonnossa on globaali. Hyödylliset bakteerit suorittavat kahta tärkeintä ympäristötehtävää - ne sitovat typpeä ja osallistuvat orgaanisten jäämien mineralisaatioon. Ne osallistuvat kemiallisten alkuaineiden liikkumiseen, keskittymiseen ja leviämiseen maapallon biosfäärissä. Bakteerit takaavat täysin ihmisen elämän.
Riisi. 1. Kuvassa on Bacillus subtilis -pesäke.
Riisi. 2. Kuvassa on bakteeripesäkkeitä, joista jokaisessa on miljoonia yksilöitä. Jokainen pesäke on yhden solun jälkeläinen. Ne kasvavat 1-3 päivässä.
Bakteerien kemiallinen koostumus ja aineenvaihdunta
Bakteerit, kuten kaikki muutkin solut, ovat 75-85 % vettä. Loput koostuvat orgaanisista ja mineraaliaineista.
Entsyymit
Bakteerisolun sisällä tapahtuvan aineenvaihdunnan katalysaattorit ovat entsyymit. Ei-proteiinien (proteesi) entsyymien ryhmään kuuluvat kupari, rauta, koboltti ja sinkki. Jotkut bakteerit sisältävät vitamiineja ja niiden johdannaisia.
Vesi
Vesi on solun sytoplasman perusta. Siinä tapahtuu monia biokemiallisia reaktioita, soluun tulevat aineet liukenevat ja aineenvaihduntatuotteet poistuvat. Pieni osa vedestä liittyy solurakenteisiin. Yli 50 % veden menetys bakteerien elämään tarvittavasta määrästä johtaa niiden kuolemaan.
Eloperäinen aine
Bakteerisolu sisältää 6-14 % proteiineja, 1-4 % rasvoja, hiilihydraatteja ja nukleiinihappoja.
Proteiinit ovat minkä tahansa solun perusta. Bakteerisoluissa ne muodostavat sytoplasman perustan. Niitä on monia solukalvossa. Ne ovat osa joitakin solurakenteita, mukaan lukien entsyymit, jotka katalysoivat metabolisia reaktioita. DNA-molekyyliä pitkin on järjestetty tuhansia proteiinimolekyylejä.
Rasvat
Lipidit (rasvat) ovat bakteerisolun energiamateriaalia. Rasvoja sisältävät lipoproteiinit muodostavat sytoplasman kalvon perustan. Sytoplasmassa ne löytyvät rakeiden muodossa ja muodostavat solun energiavarannon.
Hiilihydraatit
Hiilihydraatteja löytyy bakteerin sytoplasmasta, kalvoista ja kapselista, ja niitä edustavat monimutkaiset hiilihydraatit. Hiilihydraatit solussa ovat polysakkaridien - tärkkelyksen, dekstriinin, glykogeenin ja kuidun - muodossa. Kuten rasvat, hiilihydraatit glykogeenin muodossa kerrostuvat sytoplasmaan ja edustavat energiavarastoa.
Mineraalit
Bakteerisolun sisällä tapahtuvan aineenvaihdunnan katalysaattorit ovat entsyymit. Ei-proteiinien (proteesi) entsyymien ryhmään kuuluvat kupari, rauta, koboltti ja sinkki. Jotkut bakteerit sisältävät vitamiineja ja niiden johdannaisia. Mineraalit fosforin, natriumin, magnesiumin, kloorin ja rikin muodossa ovat osa proteiineja. Ne osallistuvat aineenvaihduntaan ja ylläpitävät normaalia solunsisäistä osmoottista painetta.
Vitamiinit
Vitamiinit ovat osa bakteerientsyymien ei-proteiinien (proteesi) ryhmää. Jotkut bakteerit syntetisoivat itse B2- tai B12-vitamiinia. Bifido-, lakto-, enterobakteerien ja E. colin osallistuessa syntetisoidaan vitamiinit K, C, ryhmä B (B1, B2, B5, B6, B7, B9 ja B12), fooli- ja nikotiinihappoja.
Riisi. 3. Kuvassa on osa bakteerisolusta. Keskiosassa näkyy nukleotidi. Seuraavaksi tulevat sytoplasma ja solukalvo.
Ravinteet kulkeutuvat soluseinän läpi diffuusiona bakteeriin, ja aineenvaihduntatuotteet kulkeutuvat ulos. Bakteerisolun ravintoaineiden saantiin vaikuttavat tekijät:
aineen pitoisuus,
molekyylien koko
ympäristön pH,
kalvon läpäisevyys jne.
Hiilen kysynnän tyydyttäminen
Autotrofiset bakteerit Hiilen saamiseksi käytetään vain hiilidioksidia. Se on heidän ainoa hiilenlähde.
Heterotrofiset bakteerit Hiilen saamiseksi he käyttävät erilaisia hiiltä sisältäviä yhdisteitä - heksoosit, moniarvoiset alkoholit, hiilivedyt.
Monet bakteerit käyttävät orgaanisia aineita ja aminohappoja näihin tarkoituksiin.
Typpitarpeiden täyttäminen
Normaalia elämää varten bakteerit tarvitsevat aminohappoja, puriineja, pyrimidiinejä ja joitain vitamiineja, joiden synteesi vaatii typpeä.Näin typpeä sitovat bakteerit imevät molekyylin typpeä ilmakehän ilmasta. Muut bakteerit pystyvät imemään epäorgaanista typpeä nitriiteistä, nitraateista ja ammoniumsuoloista. Toiset taas kuluttavat typpeä orgaanisista yhdisteistä ja kuluttavat energiaansa.
Riisi. 4. Sinilevät - syanobakteerit - pystyvät sitomaan typpeä ja muodostamaan ammoniakkia.
Tyydyttää bakteerien hivenravinnetarpeita
Bakteerien normaaliin toimintaan tarvitaan rikkiä, fosforia, magnesiumia, kaliumia, kalsiumia, rautaa ja muita hivenaineita.
Autotrofit elävät happiympäristössä ja käyttävät orgaanisten aineiden synteesiä epäorgaanisista aineista saadakseen hiiltä ja energiaa.
Fotosynteesi
Fotoautotrofit käyttävät aurinkoenergiaa orgaanisten aineiden syntetisoimiseen epäorgaanisista. Näitä ovat viherlevät, purppuralevät ja sinilevät. Prosessia kutsutaan fotosynteesiksi.
Kemosynteesi
Kemosynteettiset bakteerit käyttävät kemiallisia hapetusreaktioita orgaanisten aineiden syntetisoimiseksi epäorgaanisista. Prosessia kutsutaan kemosynteesiksi.
Rikkibakteerit - saada energiaa hapettamalla rikkiä.
Nitrifioivat bakteerit - saada energiaa ammoniumin ja nitriitin hapettumisen kautta.
Rautabakteerit - saada energiaa kaksiarvoisen raudan hapettumisen kautta.
Vetybakteerit - saada energiaa vedyn hapettumisen kautta.
Metylotrofit Hiilen ja energian saamiseksi käytetään hapetettuja tai substituoituja metaanijohdannaisia. Nykyään ne ovat erityisen kiinnostavia biotekniikan kohteina. Niiden avulla tuotetaan proteiineja, entsyymejä, lipidejä, hormoneja, antioksidantteja, pigmenttejä, polysakkarideja, raudan kuljetustekijöitä jne.
Heterotrofiset bakteerit käyttävät valmiita orgaanisia aineita kehonsa rakentamiseen ja sen elintoimintojen varmistamiseen.
Saprofyytit ruokkivat kuolleiden orgaanisten aineiden jäännöksiä. Ravinteiden hajottamiseksi ne erittävät ruuansulatusentsyymejä (maitohappoa ja mätäneviä bakteereja jne.) substraattiin.
Symbioottibakteerit elää aina muiden organismien kanssa. Ne hyödyttävät toisiaan (palkokasvien kyhmybakteerit).
Parasiittiset bakteerit kuluttaa ravintoaineita isäntäsoluista - meningokokit, gonokokit jne.
Parasiittiset ja saprofyyttiset elämäntavat aiheuttavat lavantauti, pernarutto, luomistauti jne.
Riisi. 6. Kuvassa palkokasvien juuret. Palkokasvit eivät pysty itse imemään typpeä ilmasta. Kyhmybakteerit tunkeutuvat niiden juuriin. Ne sitovat typpeä ilmasta muodostaen aineita kasveille. Kasvit itse erittävät orgaanisia aineita, jotka toimivat ravinnoksi bakteerisolulle.
Riisi. 7. Kyhmybakteerit keskittyvät kasvisolun ytimen ympärille ja lisääntyvät aktiivisesti muodostaen infektiolankoja, joita pitkin ne liikkuvat. Ne tuottavat satoja kiloja typpeä sisältävää lannoitetta hehtaaria kohden.
1. Bakteerisoluissa, jotka Gramilla värjättyinä saavat violetin värin (grampositiivinen), soluseinä on paksu, monikerroksinen. Ravinteiden hajoamisesta vastaavat entsyymit vapautuvat ja hajottavat suuria proteiinimolekyylejä, polysakkarideja ja muita biopolymeerejä yksinkertaisemmiksi fragmenteiksi.
2.Bakteerit, jotka näyttävät punaisilta, kun ne värjätään Gram-tahroilla (gram-negatiivinen), soluseinä on ohut. Soluun tulevat ravinteet hajoavat periplasmisessa tilassa (solun seinämän ja sytoplasmisen kalvon välinen tila) hydrolyyttisten entsyymien vaikutuksesta.
Ravinteet ja ionit pääsevät bakteerisoluun kolmella tavalla:
Passiivinen diffuusio tapahtuu ilman energian käyttöä. Tässä tapauksessa käytetään aineen pitoisuuksien eroa (pitoisuusgradientti). Tätä tekevät pienet polaariset ja ei-polaariset happimolekyylit, steroidit, rasvahapot, vesi, hiilidioksidi, typpi, etanoli ja urea.
NOINhelpotettu diffuusio Solulle välttämättömien aineiden kuljetus tapahtuu erityisten proteiinien avulla, jotka muodostavat kanavia vedellä täytettyyn solukalvoon, mikä helpottaa tarvittavien molekyylien kulkua.
Aktiivinen kuljetus perustuu kuljetusproteiinien toimintaan, joka pumppaa veteen liuenneita aineita gradienttiaan vastaan. Tällainen työ vaatii aina energiankulutusta.
Kun orgaanisia tai epäorgaanisia aineita hapetetaan, vapautuu energiaa, joka on niin välttämätöntä bakteerisolulle. Se menee ATP-molekyylien muodostumiseen - energianlähteeseen. Useimmat bakteerit käyttävät happea hyödyntääkseen kemiallisten reaktioiden energiaa. Tätä prosessia kutsutaan hengitykseksi.
Aerobiset bakteerit (aerobit)
Aerobit kehittyvät ympäristöissä, joissa on happea.
Pakolliset aerobit kehittyvät vain, kun ympäristössä on riittävästi happea. Tämäntyyppinen hengitys on ominaista maaperässä, vesiympäristössä ja ilmassa eläville bakteereille.Niiden hengitys tapahtuu rikkivedyn, metaanin, vedyn, raudan ja typen hapettumisen kautta (Sulfomonas denitrificans, B. methanicus, B. hydrogenes, Ferri-bakteeri ja Nitrosomonas, Nitrobacter). Tämän ryhmän bakteerit osallistuvat aktiivisesti luonnon ainekiertoon. Patogeeniset bakteerit suvuista Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella jne. tarvitsevat happea tuberkuloosin, tularemian ja koleran mykobakteerit.
Fakultatiiviset bakteerit pystyvät kehittymään, kun ympäristössä on pieni määrä happea - Salmonella, Shigella, Escherichia jne.
Riisi. 8. Kuvassa ammonioivat bakteerit hajottavat kuolleiden eläinten ja kasvien jäänteitä.
Riisi. 9. Selluloosabakteerit hajottavat kuitua. Heidän työnsä tuloksena maaperä rikastuu humuksella, mikä lisää merkittävästi sen hedelmällisyyttä, ja hiilidioksidia palautetaan ilmakehään. Solunsisäiset symbiontit ovat väriltään vihreitä ja käsitellyn puun massa on keltaista.
Anaerobiset bakteerit (anaerobit)
Anaerobit kehittyvät ilman happea ja hajottavat orgaanisia yhdisteitä hapettomassa ympäristössä. Vapaa happi estää näiden bakteerisolujen entsyymitoimintaa. Tämän tyyppiset bakteerit elävät kompostikasoissa, sairaan ihmisen haavoissa sekä ihmisten ja eläinten suolistossa.
Pakolliset anaerobit eivät kehity hapen läsnä ollessa ympäristössä (Clostridium-suvun bakteerit, maito- ja voihapon käymistä aiheuttavat bakteerit).
Fakultatiiviset anaerobit kehittyvät hapen läsnä ollessa tai ilman sitä (kokki).
Vähäisellä hapella mikroaerofyllit Clostridium histolyticum, Clostridium tertium jne. voivat kehittyä.
Riisi. 10.Kuvassa kaasukuolio. Taudin aiheuttavat Clostridium-suvun anaerobiset bakteerit.
Riisi. 11. Kuvassa pernarutto. Taudin aiheuttavat Bacillus-suvun anaerobiset bakteerit.
Riisi. 12. Biosporin-Biopharma on kotimainen lääke, joka sisältää Bacillus-suvun apatogeenisiä bakteereja. Bacillus-itiöt erittävät antimikrobisia aineita, jotka voivat estää useiden opportunististen bakteerien kasvua vaikuttamatta normaaliin suoliston mikroflooraan.
Kaikki bakteerisolun biokemialliset prosessit tapahtuvat entsyymien avulla - elävän järjestelmän kemiallisten reaktioiden biologisten katalyyttien avulla. Heidän toimintansa kohdistuu vain yhteen aineeseen. Entsyymit ovat spesifisiä kullekin bakteerityypille. Mikro-organismit tunnistetaan tiettyjen entsyymien läsnäolon perusteella.
Bakteerisolun entsyymit koostuvat 2 osasta - proteiinista ja ei-proteiinista (proteesi). Proteiiniosa koostuu yksinkertaisista proteiineista. Proteiiniton osa sisältää mikroelementtejä, kuten rautaa, kuparia, kobolttia, sinkkiä, vitamiineja ja niiden johdannaisia.
Katalyyttisten ominaisuuksien tyypistä riippuen entsyymit jaetaan kuuteen ryhmään: oksidoreduktaasit, transferaasit, hydrolaasit, lyaasit, isomeraasit ja ligaasit.
Ligaaseja ja restriktioentsyymejä käytetään laajasti biotekniikassa (geenitekniikka, lääketeollisuus, kevyt- ja elintarviketeollisuus).
Entsyymit eivät jakaannu bakteerisolussa satunnaisesti, vaan tiukasti määrätyllä tavalla.
Energia-aineenvaihdunnasta ja ravinteiden kuljettamisesta vastaavat entsyymit sijaitsevat solujen sytoplasmassa.
Proteiinisynteesiin osallistuvat entsyymit ovat yhteydessä ribosomeihin. Useita entsyymejä löytyy kaoottisesti sytoplasmasta.
Endoentsyymit toimivat bakteerisolun sisällä.Ne nopeuttavat biosynteesiä ja kataboliareaktioita. Eksoentsyymit solut erittyvät ulospäin, missä ravinteet hajoavat yksinkertaisemmiksi.
Hydrolyyttiset entsyymit osallistua makromolekyylien hajoamiseen. Niiden substraattina toimivat erilaiset sokerit.
Proteolyyttiset entsyymit hajottaa proteiineja.
Patogeeniset bakteerit erittävät entsyymejä, jotka tuhoavat ihmisen, eläimen tai kasvin kehon kudoksia. Esimerkiksi stafylokokit erittävät plasmakoagulaasia, joka on tärkein tekijä mikrobien patogeenisyydessä.
Riisi. 13. Etikkatankojen kykyä hapettaa etyylialkoholia etikkahapoksi käytetään nykyään etikan valmistukseen, jota käytetään elintarviketarkoituksiin ja rehujen valmistukseen - säilömiseen (säilyke). Kuvassa näkyy rehun säilömisen prosessi. Säilörehu on mehukas rehu, jolla on korkea ravintoarvo.
Riisi. 14. Kuvassa on bakteeripesäkkeitä, jotka kasvavat ja lisääntyvät öljypisaralla. Ne tuottavat pinta-aktiivisia aineita, jolloin öljykalvo leviää (juoksu pois). Laajalti sovellettuja aktiviteetteja ksenobakteerit öljytuotteilla saastuneiden maaperän ja vesistöjen puhdistamiseen.
Jotkut bakteerit pystyvät hehkumaan (luminesoimaan) pimeässä. Hehku liittyy entsyymin vapautumiseen lusiferaasi, joka muodostaa valokvantteja redox-reaktioiden seurauksena. Nykyajan tutkijat eivät ole löytäneet vastauksia moniin tähän ilmiöön liittyviin kysymyksiin.
Bakteerit, kuten kalansuomut, sienet, mätänevät puut ja ruokatuotteet, aiheuttavat luminesenssia substraateille asettuessaan. Monet niistä pystyvät lisääntymään ympäristöissä, joissa on korkea suolapitoisuus (halofiiliset lajit).
Riisi. 15. Kuvassa hehkuvat bakteerit.
Riisi. 16.Hehkuvat bakteerit ovat syynä meren hehkumiseen.
Jotkut bakteerit tuottavat elämänsä aikana aromaattisia aineita (etyyliasetaatti- ja amyyliasetaattiestereitä), jotka antavat viinille, juustolle ja fermentoiduille maitotuotteille erityisen aromin.
Riisi. 17. Kuvassa kefiirisieni. Yli kymmenen mikro-organismia elää ja lisääntyy siinä yhdessä (symbioosi). Tärkeimmät niistä ovat maitohiiva, etikkahappo ja laktobasillit.
Melkein kaikki bakteerit tuottavat pigmenttejä elämänsä aikana.
Pigmentti sijaitsee solujen välissä ja näyttää jyviltä Bacterium prodigiosumissa ja Staphylococcus aureuksessa.
Bacterium violaceumissa pigmentti sijaitsee kuoressa.
Bakteeri pyocyaneum vapauttaa pigmenttiä ympäristöön.
Jotkut bakteerit ovat vesiliukoisia ja värittävät kasvualustaa. Staphylococcus- ja Sarcin-pigmentit (keltaiset pigmentit) liukenevat alkoholiin, mutta eivät liukene veteen. Hiivan ja homeen ruskeat ja mustat pigmentit eivät liukene alkoholiin tai veteen.
Pigmenttejä muodostuu hapen läsnä ollessa. Niissä on laaja valikoima värejä. Tutkijat eivät ole täysin vahvistaneet heidän fysiologista rooliaan.
Tällä hetkellä bakteerien syntetisoimien pigmenttien kemiallista koostumusta ja luonnetta tutkitaan laajasti. Pigmentit ovat biologisesti aktiivisia aineita - antibiootteja, fytonsideja, kasvua stimuloivia aineita. Pigmentit yhdessä muiden tekijöiden kanssa ovat väline taksonomiaan. Venäläiset tutkijat löysivät ensimmäisenä yhteyden bakteeripigmenttien ja niiden fysiologisten toimintojen välille.
Kuten kaikille eläville olennoille, bakteereille ovat ominaisia prosessit, kuten ravitsemus, hengitys, lisääntyminen ja itiöiden muodostuminen. Ne tuottavat entsyymejä ja pigmenttejä, joiden läsnäoloa käytetään niiden tunnistamiseen. Miljoonien vuosien aikana bakteerit ovat hallinneet lähes kaikki tunnetut biokemialliset prosessit. He osallistuvat kemiallisten alkuaineiden keskittymisen ja leviämisen liikkeeseen maapallon biosfäärissä ja varmistavat täysin ihmiselämän.
