חיידקים חיים על כדור הארץ במשך יותר מ-3.5 מיליארד שנים. בזמן הזה הם למדו הרבה והסתגלו להרבה. כמו כל היצורים החיים, חיידקים מאופיינים בתהליכים כמו תזונה, נשימה, רבייה ויצירת נבגים.
הם מייצרים אנזימים ופיגמנטים, שנוכחותם משמשת לזיהוי מיקרואורגניזמים. קבוצה שלמה של אנזימים נמצאת בשימוש נרחב בביוטכנולוגיה (הנדסה גנטית, תרופות, תעשיות קלות ומזון).
תפקידם של חיידקים בטבע הוא גלובלי. חיידקים מועילים מבצעים שניים מהפונקציות הסביבתיות החשובות ביותר - הם מקבעים חנקן ומשתתפים במינרליזציה של שאריות אורגניות. הם מעורבים בתנועה, בריכוז ובפיזור של יסודות כימיים בביוספרה של כדור הארץ. חיידקים מבטיחים לחלוטין חיי אדם.
אורז. 1. התמונה מציגה מושבה של Bacillus subtilis.
אורז. 2. בתמונה נראים מושבות של חיידקים, שלכל אחת מהן יש מיליוני פרטים. כל מושבה היא צאצא של תא אחד. הם גדלים תוך 1 - 3 ימים.
הרכב כימי של חיידקים ומטבוליזם
חיידקים, כמו כל שאר התאים, הם 75-85% מים. השאר מורכב מחומרים אורגניים ומינרלים.
אנזימים
הזרזים לחילוף חומרים בתוך תא החיידק הם אנזימים. קבוצת האנזימים שאינה חלבונית (תותבת) כוללת נחושת, ברזל, קובלט ואבץ. לחלק מהחיידקים יש ויטמינים ונגזרותיהם.
מים
מים הם הבסיס לציטופלזמה של התא. מתרחשות בו תגובות ביוכימיות רבות, חומרים הנכנסים לתא מומסים ומוצרים מטבוליים מוסרים. חלק קטן מהמים קשור למבנים תאיים. אובדן מים של יותר מ-50% מהכמות הדרושה לחיי החיידקים מוביל למותם.
חומר אורגני
תא חיידקי מכיל בין 6 ל-14% חלבונים, 1 - 4% שומנים, פחמימות וחומצות גרעין.
חלבונים הם הבסיס של כל תא. בתאי חיידקים הם מהווים את הבסיס לציטופלזמה. ישנם רבים מהם בקרום התא. הם חלק ממבנים תאיים מסוימים, כולל אנזימים המזרזים תגובות מטבוליות. אלפי מולקולות חלבון מסודרות לאורך מולקולת ה-DNA.
שומנים
ליפידים (שומנים) הם חומר האנרגיה של תא החיידק. ליפופרוטאינים, המכילים שומנים, מהווים את הבסיס של הממברנה הציטופלזמית. בציטופלזמה הם נמצאים בצורה של גרגירים ומהווים את מאגר האנרגיה של התא.
פחמימות
פחמימות נמצאות בציטופלזמה, בממברנות ובקפסולה של החיידק ומיוצגות על ידי פחמימות מורכבות. הפחמימות בתא הן בצורת פוליסכרידים - עמילן, דקסטרין, גליקוגן וסיבים. כמו שומנים, פחמימות בצורת גליקוגן מופקדות בציטופלזמה ומייצגות מאגר של חומר אנרגיה.
מינרלים
הזרזים לחילוף חומרים בתוך תא החיידק הם אנזימים. קבוצת האנזימים שאינה חלבונית (תותבת) כוללת נחושת, ברזל, קובלט ואבץ. לחלק מהחיידקים יש ויטמינים ונגזרותיהם. מינרלים בצורת זרחן, נתרן, מגנזיום, כלור וגופרית הם חלק מחלבונים. הם לוקחים חלק בחילוף החומרים ושומרים על לחץ אוסמוטי תוך תאי תקין.
ויטמינים
ויטמינים הם חלק מהקבוצה הלא חלבונית (תותבת) של אנזימים חיידקיים. חלק מהחיידקים מסנתזים בעצמם ויטמינים B2 או B12. בהשתתפות ביפידו-, לקטו-, enterobacteria ו-E. coli, ויטמינים K, C, קבוצה B (B1, B2, B5, B6, B7, B9 ו-B12), חומצות פוליות וניקוטין מסונתזות.
אורז. 3. בתמונה נראה קטע מתא חיידקי. נוקלאוטיד נראה בחלק המרכזי. לאחר מכן מגיעים הציטופלזמה וממברנת התא.
חומרים מזינים עוברים דרך דופן התא על ידי דיפוזיה לתוך החיידק, ומוצרים מטבוליים עוברים החוצה. גורמים המשפיעים על אספקת חומרים מזינים לתא החיידק:
ריכוז החומר,
גודל מולקולות
pH של הסביבה,
חדירות ממברנה וכו'.
עמידה בביקוש לפחמן
חיידקים אוטוטרופיים כדי להשיג פחמן, משתמשים רק בפחמן דו חמצני. זהו מקור הפחמן היחיד שלהם.
חיידקים הטרוטרופיים כדי להשיג פחמן, הם משתמשים בתרכובות שונות המכילות פחמן - hexoses, אלכוהול polyhydric, פחמימנים.
מספר חיידקים משתמשים בחומרים אורגניים וחומצות אמינו למטרות אלו.
מענה לצרכי חנקן
לחיים נורמליים, חיידקים זקוקים לחומצות אמינו, פורינים, פירמידינים וכמה ויטמינים, שהסינתזה שלהם דורשת חנקן.כך חיידקים מקבעי חנקן סופגים חנקן מולקולרי מהאוויר האטמוספרי. חיידקים אחרים מסוגלים להטמיע חנקן אנאורגני מניטריטים, חנקות ומלחי אמוניום. אחרים צורכים חנקן מתרכובות אורגניות, ומוציאים את האנרגיה שלהם.
אוטוטרופים חיים בסביבת חמצן ומשתמשים בסינתזה של חומרים אורגניים מחומרים אנאורגניים כדי להשיג פחמן ואנרגיה.
פוטוסינתזה
פוטואוטוטרופים משתמשים באנרגיה סולארית כדי לסנתז חומרים אורגניים מחומרים אנאורגניים. אלה כוללים אצות ירוקות, אצות סגולות וציאנובקטריה. התהליך נקרא פוטוסינתזה.
כימוסינתזה
חיידקים כימוסינתטיים משתמשים בתגובות חמצון כימיות כדי לסנתז חומרים אורגניים מחומרים אנאורגניים. התהליך נקרא כימוסינתזה.
חיידקי גופרית - להשיג אנרגיה באמצעות חמצון של גופרית.
חיידקים מחנקים - השגת אנרגיה באמצעות חמצון של אמוניום וניטריט.
חיידקי ברזל - להשיג אנרגיה באמצעות חמצון של ברזל דו ערכי.
חיידקי מימן - להשיג אנרגיה באמצעות חמצון של מימן.
מתילוטרופים על מנת להשיג פחמן ואנרגיה משתמשים בנגזרות מתאן מחומצנות או מוחלפות. כיום הם מעניינים במיוחד כאובייקטים של ביוטכנולוגיה. בעזרתם מיוצרים חלבון, אנזימים, שומנים, הורמונים, נוגדי חמצון, פיגמנטים, פוליסכרידים, גורמי הובלת ברזל וכו'.
אורז. 5.חיידקי גופרית ירוקה בעמודה של וינוגרדסקי.
חיידקים הטרוטרופיים
חיידקים הטרוטרופיים משתמשים בחומרים אורגניים מוכנים כדי לבנות את גופם ולהבטיח את תפקודיו החיוניים.
ספרופיטים ניזון משאריות של חומר אורגני מת. כדי לפרק חומרים מזינים, הם מפרישים אנזימי עיכול (חומצת חלב וחיידקים נרקבים וכו') אל המצע.
חיידקי סימביוט לחיות תמיד עם אורגניזמים אחרים. הם מיטיבים זה עם זה (חיידקי גושים של צמחי קטניות).
אורח חיים טפילי וספרופיטי נגרמים על ידי טיפוס, אנתרקס, ברוצלוזיס וכו'.
אורז. 6. בתמונה נראים שורשי צמחי הקטניות. צמחי קטניות אינם יכולים לספוג חנקן מהאוויר בכוחות עצמם. חיידקי גושים חודרים לשורשיהם. הם קושרים חנקן מהאוויר, ויוצרים חומרים זמינים לצמחים. הצמחים עצמם מפרישים חומרים אורגניים המשמשים מזון לתא החיידק.
אורז. 7. חיידקי גושים מתרכזים סביב גרעין תא הצמח ומתרבים באופן פעיל ויוצרים חוטי זיהום שלאורכם הם נעים. הם יוצרים מאות קילוגרמים של דשן המכיל חנקן לכל דונם אדמה.
1. בתאי חיידקים שכאשר צובעים אותם בגרם מקבלים צבע סגול (גרם חיובי), דופן התא עבה, רב שכבתית. האנזימים האחראים על פירוק חומרי הזנה משתחררים ומפרקים מולקולות גדולות של חלבונים, פוליסכרידים וביו-פולימרים אחרים לשברים פשוטים יותר.
2.חיידקים שנראים אדומים כשהם מוכתמים בכתמי גראם (גרם שלילי), דופן התא דקה. חומרים מזינים הנכנסים לתא מתפרקים בחלל הפריפלסמי (הרווח שבין דופן התא לממברנה הציטופלזמית) על ידי אנזימים הידרוליטים.
חומרים מזינים ויונים נכנסים לתא החיידק בשלוש דרכים:
דיפוזיה פסיבית מתרחש ללא שימוש באנרגיה. במקרה זה, נעשה שימוש בהבדל בריכוזי החומר (שיפוע ריכוז). זה מה שעושים מולקולות חמצן קטנות קוטביות ולא קוטביות, סטרואידים, חומצות שומן, מים, פחמן דו חמצני, חנקן, אתנול ואוריאה.
על אודותהקלה על דיפוזיה הובלת החומרים הדרושים לתא מתרחשת בעזרת חלבונים מיוחדים היוצרים תעלות בממברנת התא המלאות במים, ומקלות על מעבר המולקולות הדרושות.
תחבורה אקטיבית מבוסס על עבודתם של חלבוני הובלה השואבים חומרים מומסים במים כנגד השיפוע שלהם. עבודה כזו תמיד דורשת הוצאת אנרגיה.
כאשר חומרים בעלי אופי אורגני או לא אורגני מתחמצנים, משתחררת אנרגיה, שהיא כה הכרחית לתא החיידק. זה הולך להיווצרות מולקולות ATP - מקור אנרגיה. כדי לרתום את האנרגיה של תגובות כימיות, רוב החיידקים משתמשים בחמצן. תהליך זה נקרא נשימה.
חיידקים אירוביים (אירוביים)
אירובי מתפתחים בסביבות המכילות חמצן.
אירובי חובה להתפתח רק בנוכחות מספיק חמצן בסביבה. סוג זה של נשימה אופייני לחיידקים החיים בקרקע, בסביבה המימית ובאוויר.הנשימה שלהם מתרחשת באמצעות חמצון של מימן גופרתי, מתאן, מימן, ברזל וחנקן (Sulfomonas denitrificans, B. methanicus, B. hydrones, חיידק Ferri ו- Nitrosomonas, Nitrobacter). חיידקים מקבוצה זו לוקחים חלק פעיל במעגל החומרים בטבע. חיידקים פתוגניים מהסוג Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella וכו' זקוקים לחמצן Mycobacteria של שחפת, tularemia וכולרה.
חיידקים פקולטטיביים מסוגלים להתפתח בנוכחות כמות מינימלית של חמצן בסביבה - סלמונלה, שיגלה, Escherichia וכו'.
אורז. 8. בתמונה, חיידקי אמוניפיציה מפרקים שאריות של בעלי חיים וצמחים מתים.
אורז. 9. חיידקי התאית מפרקים סיבים. כתוצאה מעבודתם, הקרקע מועשרת בחומוס, מה שמגביר משמעותית את פוריותה, ופחמן דו חמצני מוחזר לאטמוספירה. סימביונים תוך-תאיים צבועים בירוק, ומסת העץ המעובד צהובה.
חיידקים אנאירוביים (אנאירובים)
אנאירובים מתפתחים ללא גישה לחמצן, ומפרקים תרכובות אורגניות בסביבה נטולת חמצן. חמצן חופשי מעכב את פעילות האנזים של תאי חיידקים אלה. חיידקים מסוג זה חיים בערימות קומפוסט, בפצעים של אדם חולה ובמערכת המעיים של אנשים ובעלי חיים.
חובה אנאירובים אינם מתפתחים בנוכחות חמצן בסביבה (חיידקים מהסוג Clostridium, חיידקים הגורמים לתסיסה של חומצת חלב וחמצת בוטירית).
אנאירובים פקולטטיביים להתפתח בנוכחות חמצן או בלעדיו (קוקסי).
עם מעט חמצן יכולים להתפתח microaerophylls Clostridium histolyticum, Clostridium tertium וכו'.
אורז. 10.בתמונה נראה גנגרנה של גז. המחלה נגרמת על ידי חיידקים אנאירוביים מהסוג קלוסטרידיום.
אורז. 11. בתמונה נראה אנתרקס. המחלה נגרמת על ידי חיידקים אנאירוביים מהסוג Bacillus.
אורז. 12. Biosporin-Biopharma היא תרופה ביתית המכילה חיידקים אפתוגניים מהסוג Bacillus. נבגי הבצילוס מפרישים חומרים אנטי-מיקרוביאליים שיכולים לעכב את צמיחתם של מספר חיידקים אופורטוניסטים מבלי להשפיע על המיקרופלורה התקינה של המעי.
כל התהליכים הביוכימיים בתא חיידקי מתרחשים בעזרת אנזימים - זרזים ביולוגיים של תגובות כימיות במערכת חיה. פעולתם מכוונת רק לחומר אחד. אנזימים הם ספציפיים לכל סוג של חיידק. מיקרואורגניזמים מזוהים על ידי נוכחותם של אנזימים מסוימים.
אנזימים של תא חיידקי מורכבים מ-2 חלקים - חלבון ולא חלבון (תותב). חלק החלבון מורכב מחלבונים פשוטים. החלק הלא חלבוני כולל מיקרו-אלמנטים כגון ברזל, נחושת, קובלט, אבץ, ויטמינים ונגזרותיהם.
ליגאזות ואנזימי הגבלה נמצאים בשימוש נרחב בביוטכנולוגיה (הנדסה גנטית, תרופות, תעשיות קלות ומזון).
אנזימים בתא חיידקים אינם מופצים באופן אקראי, אלא בצורה מסודרת בהחלט.
אנזימים האחראים על חילוף החומרים באנרגיה והובלת חומרי הזנה ממוקמים בציטופלזמה של התאים.
אנזימים המעורבים בסינתזת חלבונים מחוברים לריבוזומים. מספר אנזימים נמצאים באופן כאוטי בציטופלזמה.
אנדונזימים לתפקד בתוך תא החיידק.הם מאיצים תגובות ביוסינתזה וקטבוליזם. אקסואנזימים מופרשים החוצה על ידי התא, שם חומרים מזינים מתפרקים לפשוטים יותר.
אנזימים הידרוליטים להשתתף בפירוק מקרומולקולות. סוכרים שונים משמשים להם כמצע.
אנזימים פרוטאוליטיים לפרק חלבונים.
חיידקים פתוגניים מפרישים אנזימים ההורסים את הרקמות של גוף האדם, החי או הצמח. לדוגמה, staphylococci מפריש plasmacoagulase, הגורם העיקרי בפתוגניות של החיידק.
אורז. 13. יכולתם של מקלוני חומץ לחמצן את אלכוהול אתילי לחומצה אצטית משמשת היום לייצור חומץ, המשמש למטרות מזון ובהכנת מזון לבעלי חיים - אספלט (שימורים). התמונה מציגה את תהליך הסלפת מספוא. התחמיץ הוא מזון עסיסי בעל ערך תזונתי גבוה.
אורז. 14. בתמונה נראים מושבות של חיידקים שגדלים ומתרבים על טיפת שמן. הם מייצרים חומרים פעילי שטח, וגורמים לסרט השמן להתפשט (לברוח). פעילויות בשימוש נרחב xenobacteria לניקוי קרקעות וגופי מים מזוהמים במוצרי נפט.
חלק מהחיידקים מסוגלים לזהור (להאיר) בחושך. הזוהר קשור לשחרור אנזים לוציפראז, היוצרות קוונטות אור כתוצאה מתגובות חיזור. מדענים כיום לא מצאו תשובות לשאלות רבות הקשורות לתופעה זו.
על ידי התיישבות על מצעים, חיידקים גורמים להארה, כגון קשקשי דגים, פטריות, עצים נרקבים ומוצרי מזון. רבים מהם מסוגלים להתרבות בסביבות עם תכולת מלח גבוהה (מינים הלופיליים).
אורז. 15. בתמונה נראים חיידקים זוהרים.
אורז. 16.חיידקים זוהרים הם הסיבה שהים זוהר.
במהלך חייהם, חלק מהחיידקים מייצרים חומרים ארומטיים (אתיל אצטט ואסטרים אמיל אצטט), המעניקים ארומה מיוחדת ליינות, גבינות ומוצרי חלב מותססים.
אורז. 17. בתמונה נראה פטריית קפיר. יותר מעשרה מיקרואורגניזמים חיים ומתרבים בו יחד (סימביוזה). העיקריים שבהם הם שמרי חלב, חומצה אצטית ולקטובצילים.
הפיגמנט ממוקם בין התאים ויש לו מראה של גרגירים ב-Bacterium prodigiosum וב-Staphylococcus aureus.
ב-Bacterium violaceum, הפיגמנט ממוקם בקליפה.
בקטריום pyocyaneum משחרר פיגמנט לסביבה.
חלק מהחיידקים מסיסים במים וצובעים את מצע הגידול. פיגמנטים סטפילוקוקוס וסרסין (פיגמנטים צהובים) מסיסים באלכוהול, אך אינם מסיסים במים. הפיגמנטים החומים והשחורים של שמרים ועובש אינם מתמוססים לא באלכוהול ולא במים.
פיגמנטים נוצרים בנוכחות חמצן. יש להם מגוון רחב של צבעים. תפקידם הפיזיולוגי לא הוקם במלואו על ידי מדענים.
נכון לעכשיו, ההרכב הכימי ואופי הפיגמנטים שחיידקים מסנתזים נחקרים בהרחבה. פיגמנטים הם חומרים פעילים ביולוגית - אנטיביוטיקה, phytoncides, ממריצי גדילה. פיגמנטים, יחד עם גורמים אחרים, הם כלי לטקסונומיה שלהם. מדענים רוסים היו הראשונים שקבעו קשר בין פיגמנטים חיידקיים לתפקודיהם הפיזיולוגיים.
אורז. 18. בתמונה משמאל לימין: חיידק מורגן, Pseudomonas aeruginosa, ביקורת לא מחוסנת, Proteus Mirabilis ו-Escherichia coli הגדלים במדיום של Kligler (מכיל ציטראט ברזל).
אורז. 19.בתמונה, מושבות המיקרוקוקים צהובות.
אורז. 20. בתמונה, המושבה של Bacterium prodigiosum בצבע אדום דם.
אורז. 21. בתמונה, המושבה Bacteroides niger שחורה.
אורז. 22. בתמונה יש מושבה כחול-ירוק של Pseudomonas aeruginosa צבעים.
כמו כל היצורים החיים, חיידקים מאופיינים בתהליכים כמו תזונה, נשימה, רבייה ויצירת נבגים. הם מייצרים אנזימים ופיגמנטים, שנוכחותם משמשת לזיהוים. במשך מיליוני שנים, חיידקים שלטו כמעט בכל התהליכים הביוכימיים הידועים. הם משתתפים בתנועה של ריכוז ופיזור של יסודות כימיים בביוספרה של כדור הארץ ומבטיחים באופן מלא את חיי האדם.
