Bakterijos Žemėje gyvena daugiau nei 3,5 milijardo metų. Per tą laiką jie daug ko išmoko ir prie daug ko prisitaikė. Kaip ir visiems gyviems daiktams, bakterijoms būdingi tokie procesai kaip mityba, kvėpavimas, dauginimasis ir sporų susidarymas.
Jie gamina fermentus ir pigmentus, kurių buvimas naudojamas mikroorganizmams identifikuoti. Biotechnologijose (genų inžinerijos, farmacijos, lengvosios ir maisto pramonėje) plačiai naudojama ištisa fermentų grupė.
Bakterijų vaidmuo gamtoje yra globalus. Naudingosios bakterijos atlieka dvi svarbiausias aplinkos funkcijas – fiksuoja azotą ir dalyvauja organinių liekanų mineralizacijoje. Jie dalyvauja cheminių elementų judėjime, koncentracijoje ir sklaidoje žemės biosferoje. Bakterijos visiškai užtikrina žmogaus gyvybę.
Ryžiai. 2. Nuotraukoje pavaizduotos bakterijų kolonijos, kurių kiekvienoje yra milijonai individų. Kiekviena kolonija yra vienos ląstelės palikuonys. Jie užauga per 1-3 dienas.
Cheminė bakterijų sudėtis ir medžiagų apykaita
Bakterijos, kaip ir visos kitos ląstelės, sudaro 75–85% vandens. Likusią dalį sudaro organinės ir mineralinės medžiagos.
Fermentai
Metabolizmo katalizatoriai bakterijų ląstelės viduje yra fermentai. Nebaltyminė (protezinė) fermentų grupė apima varį, geležį, kobaltą ir cinką. Kai kurios bakterijos turi vitaminų ir jų darinių.
Vanduo
Vanduo yra ląstelės citoplazmos pagrindas. Jame vyksta daug biocheminių reakcijų, ištirpsta į ląstelę patenkančios medžiagos, pasišalina medžiagų apykaitos produktai. Nedidelė vandens dalis yra susijusi su ląstelių struktūromis. Daugiau nei 50% vandens, reikalingo bakterijų gyvenimui, praradimas lemia jų mirtį.
Organinės medžiagos
Bakterijos ląstelėje yra nuo 6 iki 14% baltymų, 1-4% riebalų, angliavandenių ir nukleino rūgščių.
Baltymai yra bet kurios ląstelės pagrindas. Bakterijų ląstelėse jie sudaro citoplazmos pagrindą. Ląstelės membranoje jų yra daug. Jie yra dalis kai kurių ląstelių struktūrų, įskaitant fermentus, kurie katalizuoja medžiagų apykaitos reakcijas. Tūkstančiai baltymų molekulių yra išsidėstę palei DNR molekulę.
Riebalai
Lipidai (riebalai) yra bakterinės ląstelės energetinė medžiaga. Lipoproteinai, kuriuose yra riebalų, sudaro citoplazminės membranos pagrindą. Citoplazmoje jie randami granulių pavidalu ir sudaro ląstelės energijos rezervą.
Angliavandeniai
Angliavandeniai randami bakterijos citoplazmoje, membranose ir kapsulėje ir yra sudėtiniai angliavandeniai. Angliavandeniai ląstelėje yra polisacharidų pavidalu – krakmolas, dekstrinas, glikogenas ir skaidulos. Kaip ir riebalai, angliavandeniai glikogeno pavidalu nusėda citoplazmoje ir yra energetinės medžiagos rezervas.
Mineralai
Metabolizmo katalizatoriai bakterijų ląstelės viduje yra fermentai. Nebaltyminė (protezinė) fermentų grupė apima varį, geležį, kobaltą ir cinką. Kai kurios bakterijos turi vitaminų ir jų darinių. Mineralai fosforo, natrio, magnio, chloro ir sieros pavidalu yra baltymų dalis. Jie dalyvauja medžiagų apykaitoje ir palaiko normalų tarpląstelinį osmosinį slėgį.
Vitaminai
Vitaminai yra nebaltyminių (protezinių) bakterijų fermentų grupės dalis. Kai kurios bakterijos pačios sintetina vitaminus B2 arba B12. Dalyvaujant bifido-, lakto-, enterobakterijoms ir E. coli, sintetinami vitaminai K, C, B grupės (B1, B2, B5, B6, B7, B9 ir B12), folio ir nikotino rūgštys.
Ryžiai. 3. Nuotraukoje pavaizduota bakterijos ląstelės dalis. Centrinėje dalyje matomas nukleotidas. Toliau ateina citoplazma ir ląstelės membrana.
Maistinės medžiagos patenka pro ląstelės sienelę difuzijos būdu į bakteriją, o medžiagų apykaitos produktai pasišalina. Veiksniai, įtakojantys bakterinės ląstelės aprūpinimą maistinėmis medžiagomis:
medžiagų koncentracija,
molekulių dydis
aplinkos pH,
membranos pralaidumas ir kt.
Anglies poreikio patenkinimas
Autotrofinės bakterijos Norint gauti anglies, naudojamas tik anglies dioksidas. Tai vienintelis jų anglies šaltinis.
Heterotrofinės bakterijos Anglies gavimui jie naudoja įvairius junginius, kuriuose yra anglies – heksozes, polihidroksilį, angliavandenilius.
Nemažai bakterijų šiems tikslams naudoja organines medžiagas ir aminorūgštis.
Azoto poreikių tenkinimas
Normaliam gyvenimui bakterijoms reikia aminorūgščių, purinų, pirimidinų ir kai kurių vitaminų, kurių sintezei reikalingas azotas.Taip azotą fiksuojančios bakterijos sugeria molekulinį azotą iš atmosferos oro. Kitos bakterijos sugeba pasisavinti neorganinį azotą iš nitritų, nitratų ir amonio druskų. Dar kiti sunaudoja azotą iš organinių junginių, eikvodami savo energiją.
Ryžiai. 4. Melsvadumbliai – melsvadumbliai – geba surišti azotą ir sudaryti amoniaką.
Bakterijų mikroelementų poreikių tenkinimas
Normaliam bakterijų funkcionavimui reikalinga siera, fosforas, magnis, kalis, kalcis, geležis ir kiti mikroelementai.
Autotrofai gyvena deguonies aplinkoje ir naudoja organinių medžiagų sintezę iš neorganinių medžiagų anglies ir energijos gavimui.
Fotosintezė
Fotoautotrofai naudoja saulės energiją organinėms medžiagoms sintetinti iš neorganinių. Tai žali dumbliai, purpuriniai dumbliai ir melsvadumbliai. Procesas vadinamas fotosinteze.
Chemosintezė
Chemosintetinės bakterijos naudoja chemines oksidacijos reakcijas, kad iš neorganinių sintetintų organines medžiagas. Procesas vadinamas chemosinteze.
Sieros bakterijos - gauti energijos oksiduojant sierą.
Nitrifikuojančios bakterijos - gauti energijos oksiduojant amonią ir nitritus.
Geležies bakterijos - gauti energijos oksiduojant dvivalenčią geležį.
Vandenilio bakterijos - gauti energijos oksiduojant vandenilį.
Metilotrofai Anglies ir energijos gavimui naudojami oksiduoti arba pakeisti metano dariniai. Šiandien jie ypač domina kaip biotechnologijų objektai. Jų pagalba gaminami baltymai, fermentai, lipidai, hormonai, antioksidantai, pigmentai, polisacharidai, geležies transportavimo faktoriai ir kt.
Heterotrofinės bakterijos naudoja paruoštas organines medžiagas, kad sukurtų savo kūną ir užtikrintų jo gyvybines funkcijas.
Saprofitai minta negyvų organinių medžiagų likučiais. Maistinėms medžiagoms skaidyti jie į substratą išskiria virškinimo fermentus (pieno rūgštį ir puvimo bakterijas ir kt.).
Simbiotinės bakterijos visada gyvena su kitais organizmais. Jos naudingos viena kitai (ankštinių augalų mazginės bakterijos).
Parazitinės bakterijos vartoja maistines medžiagas iš šeimininkų ląstelių – meningokokų, gonokokų ir kt.
Parazitinis ir saprofitinis gyvenimo būdas sukelia šiltinė, juodligė, bruceliozė ir kt.
Ryžiai. 6. Nuotraukoje pavaizduotos ankštinių augalų šaknys. Ankštiniai augalai negali patys pasisavinti azoto iš oro. Mazgelių bakterijos prasiskverbia į jų šaknis. Jie suriša azotą iš oro, sudarydami augalams prieinamas medžiagas. Patys augalai išskiria organines medžiagas, kurios tarnauja kaip maistas bakterijų ląstelėms.
Ryžiai. 7. Mazginės bakterijos telkiasi aplink augalo ląstelės branduolį ir aktyviai dauginasi, suformuodamos infekcijos gijas, kuriomis juda. Jie sukuria šimtus kilogramų azoto turinčių trąšų vienam hektarui dirvožemio.
1. Bakterijų ląstelėse, kurios, nudažytos Gram, įgauna purpurinę spalvą (gramteigiamas), ląstelės sienelė stora, daugiasluoksnė. Išsiskiria fermentai, atsakingi už maistinių medžiagų skaidymą ir suskaido dideles baltymų, polisacharidų ir kitų biopolimerų molekules į paprastesnius fragmentus.
2.Bakterijos, kurios atrodo raudonos, nudažytos Gramo dėmėmis (gramneigiamas), ląstelės sienelė yra plona. Į ląstelę patekusios maistinės medžiagos yra skaidomos periplazminėje erdvėje (tarpyje tarp ląstelės sienelės ir citoplazminės membranos) veikiant hidroliziniams fermentams.
Maisto medžiagos ir jonai patenka į bakterijų ląstelę trimis būdais:
Pasyvi difuzija atsiranda nenaudojant energijos. Šiuo atveju naudojamas medžiagos koncentracijų skirtumas (koncentracijos gradientas). Tai daro mažos polinės ir nepolinės deguonies molekulės, steroidai, riebalų rūgštys, vanduo, anglies dioksidas, azotas, etanolis ir karbamidas.
APIEpalengvinta difuzija Ląstelei reikalingų medžiagų transportavimas vyksta specialių baltymų pagalba, kurie vandens užpildytoje ląstelės membranoje sudaro kanalus, palengvinančius reikalingų molekulių praėjimą.
Aktyvus transportas yra pagrįsta transportinių baltymų, kurie pumpuoja vandenyje ištirpusias medžiagas prieš jų gradientą, darbu. Toks darbas visada reikalauja energijos sąnaudų.
Oksiduojant organinės ar neorganinės prigimties medžiagas išsiskiria energija, kuri taip reikalinga bakterijų ląstelei. Ji eina į ATP molekulių – energijos šaltinio – formavimąsi. Kad panaudotų cheminių reakcijų energiją, dauguma bakterijų naudoja deguonį. Šis procesas vadinamas kvėpavimu.
Aerobinės bakterijos (aerobai)
Aerobai vystosi aplinkoje, kurioje yra deguonies.
Privalomi aerobai vystosi tik esant pakankamai deguonies aplinkoje. Toks kvėpavimas būdingas bakterijoms, gyvenančioms dirvožemyje, vandens aplinkoje ir ore.Jų kvėpavimas vyksta oksiduojant sieros vandenilį, metaną, vandenilį, geležį ir azotą (Sulfomonas denitrificans, B. methanicus, B. hydrogenes, Ferri bakterijos ir Nitrosomonas, Nitrobacter). Šios grupės bakterijos aktyviai dalyvauja gamtoje esančių medžiagų cikle. Patogeninėms bakterijoms iš Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella ir kt. genties reikia deguonies.
Fakultatyvinės bakterijos geba vystytis esant minimaliam deguonies kiekiui aplinkoje – Salmonella, Shigella, Escherichia ir kt.
Ryžiai. 8. Nuotraukoje amonifikuojančios bakterijos ardo negyvų gyvūnų ir augalų liekanas.
Ryžiai. 9. Celiuliozės bakterijos skaido skaidulą. Dėl jų darbo dirvožemis praturtinamas humusu, kuris žymiai padidina jo derlingumą, o anglies dioksidas grąžinamas į atmosferą. Tarpląsteliniai simbiontai yra žalios spalvos, o apdorotos medienos masė yra geltona.
Anaerobinės bakterijos (anaerobai)
Anaerobai vystosi nepasiekę deguonies, skaidydami organinius junginius deguonies neturinčioje aplinkoje. Laisvas deguonis slopina šių bakterijų ląstelių fermentinį aktyvumą. Šio tipo bakterijos gyvena komposto krūvose, sergančio žmogaus žaizdose, žmonių ir gyvūnų žarnyne.
Privalomi anaerobai nesivysto esant deguoniui aplinkoje (Clostridium genties bakterijos, bakterijos, sukeliančios pieno ir sviesto rūgšties rūgimą).
Fakultatyviniai anaerobai išsivysto esant deguoniui arba be jo (kokai).
Su mažai deguonies gali išsivystyti mikroaerofilai Clostridium histolyticum, Clostridium tertium ir kt.
Ryžiai. 10.Nuotraukoje matoma dujų gangrena. Ligą sukelia Clostridium genties anaerobinės bakterijos.
Ryžiai. 11. Nuotraukoje juodligė. Ligą sukelia Bacillus genties anaerobinės bakterijos.
Ryžiai. 12. Biosporin-Biopharma yra buitinis vaistas, kuriame yra Bacillus genties apatogeninių bakterijų. Bacillus sporos išskiria antimikrobines medžiagas, kurios gali slopinti daugelio oportunistinių bakterijų augimą, nepaveikdamos normalios žarnyno mikrofloros.
Visi biocheminiai procesai bakterijos ląstelėje vyksta fermentų – gyvos sistemos cheminių reakcijų biologinių katalizatorių – pagalba. Jų veiksmai nukreipti tik į vieną medžiagą. Fermentai yra būdingi kiekvienai bakterijų rūšiai. Mikroorganizmai atpažįstami pagal tam tikrų fermentų buvimą.
Bakterinės ląstelės fermentai susideda iš 2 dalių – baltyminės ir nebaltyminės (protezinės). Baltymų dalis susideda iš paprastų baltymų. Nebaltyminėje dalyje yra tokie mikroelementai kaip geležis, varis, kobaltas, cinkas, vitaminai ir jų dariniai.
Priklausomai nuo katalizinių savybių tipo, fermentai skirstomi į 6 grupes: oksidoreduktazes, transferazes, hidrolazes, liazes, izomerazes ir ligazes.
Ligazės ir restrikcijos fermentai plačiai naudojami biotechnologijose (genų inžinerijos, farmacijos, lengvosios ir maisto pramonėje).
Fermentai bakterijų ląstelėje pasiskirsto ne atsitiktinai, o griežtai nustatyta tvarka.
Fermentai, atsakingi už energijos apykaitą ir maistinių medžiagų transportavimą, yra ląstelių citoplazmoje.
Baltymų sintezėje dalyvaujantys fermentai yra prijungti prie ribosomų. Citoplazmoje chaotiškai randama nemažai fermentų.
Endofermentai veikia bakterijų ląstelės viduje.Jie pagreitina biosintezės ir katabolizmo reakcijas. Egzofermentai ląstelės išskiriamos į išorę, kur maistinės medžiagos suskaidomos į paprastesnes.
Hidroliziniai fermentai dalyvauti skaidant makromolekules. Įvairūs cukrūs jiems tarnauja kaip substratas.
Proteolitiniai fermentai skaidyti baltymus.
Patogeninės bakterijos išskiria fermentus, kurie ardo žmogaus, gyvūno ar augalo kūno audinius. Pavyzdžiui, stafilokokai išskiria plazmakoagulazę – pagrindinį mikrobo patogeniškumo veiksnį.
Ryžiai. 13. Acto lazdelių savybė oksiduoti etilo alkoholį iki acto rūgšties šiandien naudojama acto gamybai, naudojama maisto reikmėms ir gyvulių pašarams ruošti – silosavimui (konservavimui). Nuotraukoje parodytas pašaro silosavimo procesas. Silosas yra sultingas pašaras, turintis didelę maistinę vertę.
Ryžiai. 14. Nuotraukoje pavaizduotos bakterijų kolonijos, kurios auga ir dauginasi ant aliejaus lašelio. Jie gamina aktyviąsias paviršiaus medžiagas, todėl aliejaus plėvelė plinta (pabėga). Plačiai taikoma veikla ksenobakterijos naftos produktais užterštam gruntui ir vandens telkiniams valyti.
Kai kurios bakterijos tamsoje gali švyti (liuminescencija). Švytėjimas yra susijęs su fermento išsiskyrimu luciferazė, kuris dėl redokso reakcijų sudaro šviesos kvantus. Šiandien mokslininkai nerado atsakymų į daugelį su šiuo reiškiniu susijusių klausimų.
Kolonizuodamasi ant substratų, bakterijos sukelia liuminescenciją, pavyzdžiui, žuvų žvynai, grybai, pūvantys medžiai ir maisto produktai. Daugelis jų gali daugintis aplinkoje, kurioje yra daug druskos (halofilinės rūšys).
Ryžiai. 15. Nuotraukoje – švytinčios bakterijos.
Ryžiai. 16.Švytinčios bakterijos yra priežastis, dėl kurios jūra švyti.
Kai kurios bakterijos per savo gyvenimą gamina aromatines medžiagas (etilacetatą ir amilo acetato esterius), kurios suteikia ypatingą aromatą vynams, sūriams ir fermentuoto pieno produktams.
Ryžiai. 17. Nuotraukoje kefyro grybas. Jame kartu gyvena ir dauginasi daugiau nei dešimt mikroorganizmų (simbiozė). Pagrindinės iš jų yra pieno mielės, acto rūgštis ir laktobacilos.
Beveik visos bakterijos per savo gyvenimą gamina pigmentus.
Pigmentas yra tarp ląstelių ir atrodo kaip grūdeliai Bacterium prodigiosum ir Staphylococcus aureus.
Bacterium violaceum pigmentas yra apvalkale.
Pyocyaneum bakterija išskiria pigmentą į aplinką.
Kai kurios bakterijos yra tirpios vandenyje ir dažo auginimo terpę. Staphylococcus ir Sarcin pigmentai (geltoni pigmentai) tirpsta alkoholyje, bet netirpsta vandenyje. Rudi ir juodi mielių ir pelėsių pigmentai netirpsta nei alkoholyje, nei vandenyje.
Pigmentai susidaro esant deguoniui. Jie turi daug įvairių spalvų. Jų fiziologinis vaidmuo mokslininkų nebuvo visiškai nustatytas.
Šiuo metu plačiai tiriama bakterijų sintetinamų pigmentų cheminė sudėtis ir pobūdis. Pigmentai yra biologiškai aktyvios medžiagos – antibiotikai, fitoncidai, augimo stimuliatoriai. Pigmentai kartu su kitais veiksniais yra jų taksonomijos įrankis. Rusijos mokslininkai pirmieji nustatė ryšį tarp bakterijų pigmentų ir jų fiziologinių funkcijų.
Ryžiai. 18. Nuotraukoje iš kairės į dešinę: Morgan bakterija, Pseudomonas aeruginosa, nesokuliuota kontrolė, Proteus Mirabilis ir Escherichia coli, auginami Kligler terpėje (yra geležies citrato).
Ryžiai. 19.Nuotraukoje mikrokokų kolonijos geltonos.
Ryžiai. 20. Nuotraukoje Bacterium prodigiosum kolonija yra kraujo raudonumo spalvos.
Kaip ir visiems gyviems daiktams, bakterijoms būdingi tokie procesai kaip mityba, kvėpavimas, dauginimasis ir sporų susidarymas. Jie gamina fermentus ir pigmentus, kurių buvimas naudojamas jiems identifikuoti. Per milijonus metų bakterijos įvaldė beveik visus žinomus biocheminius procesus. Jie dalyvauja cheminių elementų koncentracijos ir sklaidos judėjime žemės biosferoje ir visapusiškai užtikrina žmogaus gyvybę.
