Bakterie żyją na planecie Ziemia od ponad 3,5 miliarda lat. W tym czasie wiele się nauczyli i wiele przystosowali. Podobnie jak wszystkie żywe istoty, bakterie charakteryzują się takimi procesami, jak odżywianie, oddychanie, rozmnażanie i tworzenie zarodników.
Wytwarzają enzymy i pigmenty, których obecność wykorzystuje się do identyfikacji mikroorganizmów. Cała grupa enzymów ma szerokie zastosowanie w biotechnologii (inżynieria genetyczna, przemysł farmaceutyczny, lekki i spożywczy).
Rola bakterii w przyrodzie jest globalna. Pożyteczne bakterie pełnią dwie najważniejsze funkcje środowiskowe - wiążą azot i uczestniczą w mineralizacji pozostałości organicznych. Biorą udział w ruchu, koncentracji i dyspersji pierwiastków chemicznych w biosferze Ziemi. Bakterie całkowicie zapewniają życie ludzkie.
Ryż. 1. Zdjęcie przedstawia kolonię Bacillus subtilis.
Ryż. 2. Zdjęcie przedstawia kolonie bakterii, z których każda liczy miliony osobników. Każda kolonia jest potomkiem jednej komórki. Rosną w ciągu 1–3 dni.
Skład chemiczny bakterii i metabolizm
Bakterie, podobnie jak wszystkie inne komórki, składają się w 75–85% z wody. Pozostała część składa się z substancji organicznych i mineralnych.
Enzymy
Katalizatorami metabolizmu wewnątrz komórki bakteryjnej są enzymy. Do niebiałkowej (protetycznej) grupy enzymów zalicza się miedź, żelazo, kobalt i cynk. Niektóre bakterie zawierają witaminy i ich pochodne.
Woda
Woda jest podstawą cytoplazmy komórki. Zachodzi w nim wiele reakcji biochemicznych, substancje dostające się do komórki ulegają rozpuszczeniu, a produkty przemiany materii są usuwane. Niewielka część wody jest związana ze strukturami komórkowymi. Utrata wody przekraczającej 50% ilości niezbędnej do życia bakterii prowadzi do ich śmierci.
Materia organiczna
Komórka bakteryjna zawiera od 6 do 14% białek, 1 - 4% tłuszczów, węglowodanów i kwasów nukleinowych.
Białka są podstawą każdej komórki. W komórkach bakteryjnych stanowią podstawę cytoplazmy. Jest ich wiele w błonie komórkowej. Są częścią niektórych struktur komórkowych, w tym enzymów katalizujących reakcje metaboliczne. Tysiące cząsteczek białka ułożonych jest wzdłuż cząsteczki DNA.
Tłuszcze
Lipidy (tłuszcze) są materiałem energetycznym komórki bakteryjnej. Lipoproteiny zawierające tłuszcze stanowią podstawę błony cytoplazmatycznej. W cytoplazmie występują w postaci granulek i stanowią rezerwę energetyczną komórki.
Węglowodany
Węglowodany znajdują się w cytoplazmie, błonach i otoczce bakterii i są reprezentowane przez węglowodany złożone. Węglowodany w komórce występują w postaci polisacharydów – skrobi, dekstryny, glikogenu i błonnika. Podobnie jak tłuszcze, węglowodany w postaci glikogenu odkładają się w cytoplazmie i stanowią rezerwę materiału energetycznego.
Minerały
Katalizatorami metabolizmu wewnątrz komórki bakteryjnej są enzymy. Do niebiałkowej (protetycznej) grupy enzymów zalicza się miedź, żelazo, kobalt i cynk. Niektóre bakterie zawierają witaminy i ich pochodne. Minerały w postaci fosforu, sodu, magnezu, chloru i siarki wchodzą w skład białek. Biorą udział w metabolizmie i utrzymaniu prawidłowego wewnątrzkomórkowego ciśnienia osmotycznego.
Witaminy
Witaminy należą do niebiałkowej (protetycznej) grupy enzymów bakteryjnych. Niektóre bakterie same syntetyzują witaminy B2 lub B12. Przy udziale bifido-, lakto-, enterobakterii i E. coli syntetyzowane są witaminy K, C, grupa B (B1, B2, B5, B6, B7, B9 i B12), kwas foliowy i nikotynowy.
Ryż. 3. Zdjęcie przedstawia wycinek komórki bakteryjnej. W części środkowej widoczny jest nukleotyd. Następnie przychodzi cytoplazma i błona komórkowa.
Składniki odżywcze przechodzą przez ścianę komórkową poprzez dyfuzję do bakterii, a produkty przemiany materii wychodzą na zewnątrz. Czynniki wpływające na zaopatrzenie komórki bakteryjnej w składniki odżywcze:
stężenie substancji,
wielkość cząsteczek
pH środowiska,
przepuszczalność membrany itp.
Zaspokajanie zapotrzebowania na węgiel
Bakterie autotroficzne Aby uzyskać węgiel, wykorzystuje się wyłącznie dwutlenek węgla. To ich jedyne źródło węgla.
Bakterie heterotroficzne Aby uzyskać węgiel, stosuje się różne związki zawierające węgiel - heksozy, alkohol wielowodorotlenowy, węglowodory.
Wiele bakterii wykorzystuje do tych celów substancje organiczne i aminokwasy.
Zaspokajanie zapotrzebowania na azot
Do normalnego życia bakterie potrzebują aminokwasów, puryn, pirymidyn i niektórych witamin, których synteza wymaga azotu.W ten sposób bakterie wiążące azot absorbują azot cząsteczkowy z powietrza atmosferycznego. Inne bakterie są zdolne do asymilacji azotu nieorganicznego z azotynów, azotanów i soli amonowych. Jeszcze inni zużywają azot ze związków organicznych, wydając swoją energię.
Autotrofy żyją w środowisku tlenowym i wykorzystują syntezę substancji organicznych z substancji nieorganicznych w celu uzyskania węgla i energii.
Fotosynteza
Fotoautotrofy wykorzystują energię słoneczną do syntezy substancji organicznych z nieorganicznych. Należą do nich algi zielone, algi fioletowe i sinice. Proces ten nazywa się fotosyntezą.
Chemosynteza
Bakterie chemosyntetyczne wykorzystują reakcje utleniania chemicznego do syntezy substancji organicznych z nieorganicznych. Proces ten nazywa się chemosyntezą.
Bakterie siarkowe - pozyskiwać energię poprzez utlenianie siarki.
Bakterie nitryfikacyjne - pozyskiwać energię poprzez utlenianie amonu i azotynów.
Bakterie żelazne - pozyskiwać energię poprzez utlenianie żelaza dwuwartościowego.
Bakterie wodorowe - pozyskiwać energię poprzez utlenianie wodoru.
Metylotrofy W celu uzyskania węgla i energii wykorzystuje się utlenione lub podstawione pochodne metanu. Dziś cieszą się szczególnym zainteresowaniem jako obiekty biotechnologii. Za ich pomocą wytwarzane są białka, enzymy, lipidy, hormony, przeciwutleniacze, pigmenty, polisacharydy, czynniki transportu żelaza itp.
Ryż. 5.Zielone bakterie siarkowe w kolumnie Winogradskiego.
Bakterie heterotroficzne
Bakterie heterotroficzne wykorzystują gotowe substancje organiczne do budowy swojego organizmu i zapewnienia mu funkcji życiowych.
Saprofity żywią się resztkami martwej materii organicznej. Aby rozłożyć składniki odżywcze, wydzielają do podłoża enzymy trawienne (kwas mlekowy i bakterie gnijące itp.).
Bakterie symbiotyczne zawsze żyją z innymi organizmami. Przynoszą sobie nawzajem korzyści (bakterie guzkowe roślin strączkowych).
Bakterie pasożytnicze zużywają składniki odżywcze z komórek gospodarza - meningokoki, gonokoki itp.
Pasożytniczy i saprofityczny tryb życia są spowodowane tyfusem, wąglikiem, brucelozą itp.
Ryż. 6. Zdjęcie przedstawia korzenie roślin strączkowych. Rośliny strączkowe nie są w stanie samodzielnie pobierać azotu z powietrza. Bakterie guzkowe wnikają do korzeni. Wiążą azot z powietrza, tworząc substancje dostępne dla roślin. Same rośliny wydzielają substancje organiczne, które służą jako pokarm dla komórki bakteryjnej.
Ryż. 7. Bakterie guzkowe skupiają się wokół jądra komórki roślinnej i aktywnie namnażają się, tworząc nici infekcyjne, wzdłuż których się przemieszczają. Tworzą setki kilogramów nawozu zawierającego azot na hektar gleby.
1. W komórkach bakteryjnych, które po zabarwieniu Gramem nabierają fioletowego koloru (Gram-dodatnie), ściana komórkowa jest gruba, wielowarstwowa. Uwalniane są enzymy odpowiedzialne za rozkład składników odżywczych, które rozkładają duże cząsteczki białek, polisacharydów i innych biopolimerów na prostsze fragmenty.
2.Bakterie, które zabarwiają się na czerwono po zabarwieniu metodą Grama (Gram-ujemne), ściana komórkowa jest cienka. Składniki odżywcze dostające się do komórki są rozkładane w przestrzeni peryplazmatycznej (przestrzeni między ścianą komórkową a błoną cytoplazmatyczną) przez enzymy hydrolityczne.
Składniki odżywcze i jony dostają się do komórki bakteryjnej na trzy sposoby:
Bierna dyfuzja zachodzi bez użycia energii. W tym przypadku wykorzystuje się różnicę stężeń substancji (gradient stężeń). To właśnie robią małe polarne i niepolarne cząsteczki tlenu, steroidy, kwasy tłuszczowe, woda, dwutlenek węgla, azot, etanol i mocznik.
Oułatwiona dyfuzja Transport niezbędnych dla komórki substancji odbywa się za pomocą specjalnych białek, które tworzą w błonie komórkowej kanały wypełnione wodą, ułatwiające przejście niezbędnych cząsteczek.
Aktywny transport opiera się na pracy białek transportowych, które pompują substancje rozpuszczone w wodzie wbrew ich gradientowi. Taka praca zawsze wymaga nakładu energii.
Podczas utleniania substancji organicznych lub nieorganicznych uwalniana jest energia, która jest tak niezbędna komórce bakteryjnej. Dochodzi do powstania cząsteczek ATP – źródła energii. Aby wykorzystać energię reakcji chemicznych, większość bakterii wykorzystuje tlen. Proces ten nazywa się oddychaniem.
Bakterie tlenowe (aerobowe)
Tlenowce rozwijają się w środowiskach zawierających tlen.
Obowiązkowe aeroby rozwijać się tylko w obecności wystarczającej ilości tlenu w środowisku. Ten rodzaj oddychania jest charakterystyczny dla bakterii żyjących w glebie, środowisku wodnym i powietrzu.Ich oddychanie zachodzi poprzez utlenianie siarkowodoru, metanu, wodoru, żelaza i azotu (Sulfomonas denitrificans, B. methanicus, B. wodoru, Ferri bacterium i Nitrosomonas, Nitrobacter). Bakterie z tej grupy biorą czynny udział w cyklu substancji w przyrodzie. Bakterie chorobotwórcze z rodzaju Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella itp. potrzebują tlenu. Prątki gruźlicy, tularemii i cholery potrzebują zwiększonego poziomu tlenu.
Bakterie fakultatywne są w stanie rozwijać się w obecności minimalnej ilości tlenu w środowisku - Salmonella, Shigella, Escherichia itp.
Ryż. 8. Na zdjęciu bakterie amonifikacyjne rozkładają szczątki martwych zwierząt i roślin.
Ryż. 9. Bakterie celulozowe rozkładają włókno. W wyniku ich pracy gleba zostaje wzbogacona w próchnicę, co znacznie zwiększa jej żyzność, a dwutlenek węgla powraca do atmosfery. Symbionty wewnątrzkomórkowe mają kolor zielony, a masa przetworzonego drewna jest żółta.
Bakterie beztlenowe (beztlenowce)
Beztlenowce rozwijają się bez dostępu tlenu, rozkładając związki organiczne w środowisku beztlenowym. Wolny tlen hamuje aktywność enzymatyczną tych komórek bakteryjnych. Bakterie tego typu żyją w hałdach kompostu, ranach chorych oraz w przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt.
Obowiązkowe beztlenowce nie rozwijają się w obecności tlenu w środowisku (bakterie z rodzaju Clostridium, bakterie wywołujące fermentację kwasu mlekowego i masłowego).
Fakultatywne beztlenowce rozwijają się w obecności tlenu lub bez niego (ziarniaki).
Z małą ilością tlenu Mogą rozwijać się mikroaerofile Clostridium histolyticum, Clostridium tertium itp.
Ryż. 10.Na zdjęciu widać gangrenę gazową. Chorobę wywołują bakterie beztlenowe z rodzaju Clostridium.
Ryż. 11. Na zdjęciu wąglik. Chorobę wywołują bakterie beztlenowe z rodzaju Bacillus.
Ryż. 12. Biosporin-Biopharma jest lekiem krajowym zawierającym apatogenne bakterie z rodzaju Bacillus. Zarodniki Bacillus wydzielają substancje przeciwdrobnoustrojowe, które mogą hamować rozwój wielu bakterii oportunistycznych bez wpływu na prawidłową mikroflorę jelitową.
Wszystkie procesy biochemiczne w komórce bakteryjnej zachodzą przy pomocy enzymów - biologicznych katalizatorów reakcji chemicznych w żywym układzie. Ich działanie jest nakierowane tylko na jedną substancję. Enzymy są specyficzne dla każdego rodzaju bakterii. Mikroorganizmy identyfikuje się na podstawie obecności określonych enzymów.
Enzymy komórki bakteryjnej składają się z 2 części - białkowej i niebiałkowej (protetycznej). Część białkowa składa się z prostych białek. Część niebiałkowa obejmuje mikroelementy takie jak żelazo, miedź, kobalt, cynk, witaminy i ich pochodne.
W zależności od rodzaju cech katalitycznych enzymy dzieli się na 6 grup: oksydoreduktazy, transferazy, hydrolazy, liazy, izomerazy i ligazy.
Ligazy i enzymy restrykcyjne znajdują szerokie zastosowanie w biotechnologii (inżynieria genetyczna, przemysł farmaceutyczny, lekki i spożywczy).
Enzymy w komórce bakteryjnej nie są rozmieszczone losowo, ale w ściśle uporządkowany sposób.
Enzymy odpowiedzialne za metabolizm energii i transport składników odżywczych zlokalizowane są w cytoplazmie komórek.
Enzymy biorące udział w syntezie białek są połączone z rybosomami. Wiele enzymów występuje chaotycznie w cytoplazmie.
Endoenzymy działają wewnątrz komórki bakteryjnej.Przyspieszają reakcje biosyntezy i katabolizmu. Egzoenzymy są wydzielane na zewnątrz przez komórkę, gdzie składniki odżywcze rozkładane są na prostsze.
Enzymy hydrolizy biorą udział w rozkładzie makrocząsteczek. Za substrat dla nich służą różne cukry.
Enzymy proteolityczne rozkładać białka.
Bakterie chorobotwórcze wydzielają enzymy, które niszczą tkanki organizmu ludzkiego, zwierzęcego lub roślinnego. Na przykład gronkowce wydzielają plazmagulazę, główny czynnik patogeniczności drobnoustroju.
Ryż. 13. Zdolność pałeczek octu do utleniania alkoholu etylowego do kwasu octowego wykorzystywana jest współcześnie do produkcji octu, wykorzystywanego do celów spożywczych oraz do przygotowania paszy dla zwierząt – kiszenie (konserwowanie). Zdjęcie przedstawia proces zakiszania paszy. Kiszonka to soczysta pasza o wysokiej wartości odżywczej.
Ryż. 14. Zdjęcie przedstawia kolonie bakterii, które rosną i rozmnażają się na kropli oleju. Wytwarzają środki powierzchniowo czynne, które powodują rozprzestrzenianie się (uciekanie) filmu olejowego. Działania szeroko stosowane ksenobakterie do oczyszczania gleb i zbiorników wodnych zanieczyszczonych produktami naftowymi.
Niektóre bakterie potrafią świecić (luminescować) w ciemności. Blask jest związany z uwalnianiem enzymu lucyferaza, który w wyniku reakcji redoks tworzy kwanty światła. Naukowcy nie znaleźli dziś odpowiedzi na wiele pytań związanych z tym zjawiskiem.
Kolonizując na podłożach, bakterie powodują luminescencję, np. rybie łuski, grzyby, gnijące drzewa i produkty spożywcze. Wiele z nich potrafi rozmnażać się w środowiskach o dużej zawartości soli (gatunki halofilne).
Ryż. 15. Na zdjęciu świecące bakterie.
Ryż. 16.Świecące bakterie są powodem, dla którego morze świeci.
Niektóre bakterie w ciągu swojego życia wytwarzają substancje aromatyczne (estry octanu etylu i octanu amylu), które nadają specyficzny aromat winom, serom i fermentowanym przetworom mlecznym.
Ryż. 17. Na zdjęciu grzyb kefirowy. Żyje i rozmnaża się w nim łącznie ponad dziesięć mikroorganizmów (symbioza). Najważniejsze z nich to drożdże mlekowe, kwas octowy i pałeczki kwasu mlekowego.
Prawie wszystkie bakterie wytwarzają pigmenty w ciągu swojego życia.
Pigment znajduje się pomiędzy komórkami i ma wygląd ziaren Bacterium prodigiosum i Staphylococcus aureus.
W Bacterium violaceum pigment znajduje się w otoczce.
Bakteria pyocyaneum uwalnia barwnik do środowiska.
Niektóre bakterie są rozpuszczalne w wodzie i barwią podłoże. Pigmenty Staphylococcus i Sarcin (pigmenty żółte) są rozpuszczalne w alkoholu, ale nie rozpuszczalne w wodzie. Brązowe i czarne pigmenty drożdży i pleśni nie rozpuszczają się ani w alkoholu, ani w wodzie.
Pigmenty powstają w obecności tlenu. Mają szeroką gamę kolorów. Naukowcy nie do końca ustalili ich fizjologiczną rolę.
Obecnie szeroko bada się skład chemiczny i charakter pigmentów syntetyzowanych przez bakterie. Pigmenty to substancje biologicznie czynne - antybiotyki, fitoncydy, stymulatory wzrostu. Pigmenty wraz z innymi czynnikami stanowią narzędzie do ich taksonomii. Rosyjscy naukowcy jako pierwsi ustalili związek pomiędzy pigmentami bakteryjnymi a ich funkcjami fizjologicznymi.
Ryż. 18. Na zdjęciu od lewej do prawej: bakteria Morgana, Pseudomonas aeruginosa, niezaszczepiona kontrola, Proteus Mirabilis i Escherichia coli hodowane na podłożu Kliglera (zawiera cytrynian żelaza).
Ryż. 19.Na zdjęciu kolonie mikrokoków są żółte.
Ryż. 20. Na zdjęciu kolonia Bacterium prodigiosum jest krwistoczerwona.
Ryż. 21. Na zdjęciu kolonia Bacteroides niger jest czarna.
Ryż. 22. Na zdjęciu niebiesko-zielona kolonia Pseudomonas aeruginosa zabarwienie.
Podobnie jak wszystkie żywe istoty, bakterie charakteryzują się takimi procesami, jak odżywianie, oddychanie, rozmnażanie i tworzenie zarodników. Wytwarzają enzymy i pigmenty, których obecność służy do ich identyfikacji. Przez miliony lat bakterie opanowały prawie wszystkie znane procesy biochemiczne. Uczestniczą w ruchu koncentracji i dyspersji pierwiastków chemicznych w biosferze Ziemi iw pełni zapewniają życie człowieka.
