Bakterier har levt på planeten jorden i mer än 3,5 miljarder år. Under den här tiden lärde de sig mycket och anpassade sig till mycket. Som alla levande varelser kännetecknas bakterier av processer som näring, andning, reproduktion och sporbildning.
De producerar enzymer och pigment, vars närvaro används för att identifiera mikroorganismer. En hel grupp enzymer används i stor utsträckning inom bioteknik (genteknik, läkemedels-, lätt- och livsmedelsindustri).
Bakteriernas roll i naturen är global. Nyttiga bakterier utför två av de viktigaste miljöfunktionerna - de fixerar kväve och deltar i mineraliseringen av organiska rester. De är involverade i förflyttning, koncentration och spridning av kemiska element i jordens biosfär. Bakterier säkerställer helt mänskligt liv.
Ris. 1. Bilden visar en koloni av Bacillus subtilis.
Ris. 2. Bilden visar kolonier av bakterier, som var och en har miljontals individer. Varje koloni är avkomma till en cell. De växer på 1-3 dagar.
Kemisk sammansättning av bakterier och ämnesomsättning
Bakterier, som alla andra celler, är 75-85% vatten. Resten består av organiska och mineraliska ämnen.
Enzymer
Katalysatorerna för metabolism inuti bakteriecellen är enzymer. Den icke-protein (protetiska) gruppen av enzymer inkluderar koppar, järn, kobolt och zink. Vissa bakterier har vitaminer och deras derivat.
Vatten
Vatten är grunden för cellcytoplasman. Många biokemiska reaktioner äger rum i den, ämnen som kommer in i cellen löses upp och metaboliska produkter avlägsnas. En liten del av vattnet är förknippat med cellulära strukturer. Förlust av vatten på mer än 50 % av den mängd som behövs för bakteriers liv leder till deras död.
Organiskt material
En bakteriecell innehåller från 6 till 14 % proteiner, 1 - 4 % fetter, kolhydrater och nukleinsyror.
Proteiner är grunden för alla celler. I bakterieceller utgör de grunden för cytoplasman. Det finns många av dem i cellmembranet. De är en del av vissa cellulära strukturer, inklusive enzymer som katalyserar metaboliska reaktioner. Tusentals proteinmolekyler är ordnade längs DNA-molekylen.
Fetter
Lipider (fetter) är bakteriecellens energimaterial. Lipoproteiner, som innehåller fetter, utgör grunden för det cytoplasmatiska membranet. I cytoplasman finns de i form av granulat och utgör cellens energireserv.
Kolhydrater
Kolhydrater finns i bakteriens cytoplasma, membran och kapsel och representeras av komplexa kolhydrater. Kolhydrater i cellen är i form av polysackarider - stärkelse, dextrin, glykogen och fibrer. Liksom fetter avsätts kolhydrater i form av glykogen i cytoplasman och representerar en reserv av energimaterial.
Mineraler
Katalysatorerna för metabolism inuti bakteriecellen är enzymer. Den icke-protein (protetiska) gruppen av enzymer inkluderar koppar, järn, kobolt och zink. Vissa bakterier har vitaminer och deras derivat. Mineraler i form av fosfor, natrium, magnesium, klor och svavel ingår i proteiner. De deltar i ämnesomsättningen och upprätthåller normalt intracellulärt osmotiskt tryck.
Vitaminer
Vitaminer är en del av den icke-protein (protetiska) gruppen av bakteriella enzymer. Vissa bakterier syntetiserar själva vitamin B2 eller B12. Med deltagande av bifido-, lakto-, enterobakterier och E. coli, vitaminer K, C, grupp B (B1, B2, B5, B6, B7, B9 och B12), syntetiseras folsyra och nikotinsyror.
Ris. 3. Bilden visar en sektion av en bakteriecell. En nukleotid är synlig i den centrala delen. Därefter kommer cytoplasman och cellmembranet.
Näringsämnen passerar genom cellväggen genom diffusion in i bakterien och metaboliska produkter passerar ut. Faktorer som påverkar tillförseln av näringsämnen till bakteriecellen:
ämneskoncentration,
molekylernas storlek
pH i miljön,
membranpermeabilitet etc.
Att möta efterfrågan på koldioxid
Autotrofa bakterier För att få fram kol används endast koldioxid. Det är deras enda kolkälla.
Heterotrofa bakterier För att få kol använder de olika föreningar som innehåller kol - hexoser, flervärd alkohol, kolväten.
Ett antal bakterier använder organiska ämnen och aminosyror för dessa ändamål.
Tillgodose kvävebehov
För ett normalt liv behöver bakterier aminosyror, puriner, pyrimidiner och vissa vitaminer, vars syntes kräver kväve.Det är så kvävefixerande bakterier absorberar molekylärt kväve från atmosfärisk luft. Andra bakterier kan assimilera oorganiskt kväve från nitriter, nitrater och ammoniumsalter. Ytterligare andra förbrukar kväve från organiska föreningar och förbrukar sin energi.
Ris. 4. Blågröna alger - cyanobakterier - kan binda kväve och bilda ammoniak.
Tillfredsställer bakteriers behov av mikronäringsämnen
För en normal funktion av bakterier behövs svavel, fosfor, magnesium, kalium, kalcium, järn och andra mikroelement.
Autotrofer lever i en syremiljö och använder syntesen av organiska ämnen från oorganiska ämnen för att erhålla kol och energi.
Fotosyntes
Fotoautotrofer använder solenergi för att syntetisera organiska ämnen från oorganiska. Dessa inkluderar gröna alger, lila alger och cyanobakterier. Processen kallas fotosyntes.
Kemosyntes
Kemosyntetiska bakterier använder kemiska oxidationsreaktioner för att syntetisera organiska ämnen från oorganiska. Processen kallas kemosyntes.
Svavelbakterier - få energi genom oxidation av svavel.
Nitrifierande bakterier - få energi genom oxidation av ammonium och nitrit.
Järnbakterier - få energi genom oxidation av tvåvärt järn.
Vätebakterier - få energi genom oxidation av väte.
Metylotrofer För att erhålla kol och energi används oxiderade eller substituerade metanderivat. Idag är de av särskilt intresse som objekt för bioteknik. Med deras hjälp produceras protein, enzymer, lipider, hormoner, antioxidanter, pigment, polysackarider, järntransportfaktorer etc.
Ris. 5.Gröna svavelbakterier i Winogradskys kolumn.
Heterotrofa bakterier
Heterotrofa bakterier använder färdiga organiska ämnen för att bygga upp sin kropp och säkerställa dess vitala funktioner.
Saprofyter livnär sig på resterna av dött organiskt material. För att bryta ner näringsämnen utsöndrar de matsmältningsenzymer (mjölksyra och ruttnande bakterier etc.) i substratet.
Symbiotbakterier lever alltid med andra organismer. De gynnar varandra (knölbakterier från baljväxter).
Parasitiska bakterier konsumera näringsämnen från värdceller - meningokocker, gonokocker, etc.
Parasitisk och saprofytisk livsstil orsakas av tyfus, mjältbrand, brucellos etc.
Ris. 6. Bilden visar baljväxternas rötter. Baljväxter kan inte ta upp kväve från luften på egen hand. Knölbakterier penetrerar sina rötter. De binder kväve från luften och bildar ämnen som är tillgängliga för växter. Växterna själva utsöndrar organiska ämnen som fungerar som föda för bakteriecellen.
Ris. 7. Knölbakterier koncentrerar sig runt växtcellens kärna och förökar sig aktivt och bildar infektionstrådar längs vilka de rör sig. De skapar hundratals kilo gödselmedel som innehåller kväve per hektar jord.
1. I bakterieceller som, när de färgas med Gram, får en lila färg (Gram positiv), är cellväggen tjock, flerskiktad. De enzymer som ansvarar för nedbrytningen av näringsämnen frigörs och bryter ner stora molekyler av proteiner, polysackarider och andra biopolymerer till enklare fragment.
2.Bakterier som ser röda ut när de färgas med Gram-fläckar (gramnegativ), är cellväggen tunn. Näringsämnen som kommer in i cellen bryts ner i det periplasmatiska utrymmet (utrymmet mellan cellväggen och det cytoplasmatiska membranet) av hydrolytiska enzymer.
Näringsämnen och joner kommer in i bakteriecellen på tre sätt:
Passiv diffusion sker utan användning av energi. I detta fall används skillnaden i koncentrationerna av ämnet (koncentrationsgradient). Detta är vad små polära och opolära syremolekyler, steroider, fettsyror, vatten, koldioxid, kväve, etanol och urea gör.
HANDLA OMunderlättad diffusion Transporten av ämnen som är nödvändiga för cellen sker med hjälp av speciella proteiner som bildar kanaler i cellmembranet fyllt med vatten, vilket underlättar passagen av de nödvändiga molekylerna.
Aktiv transport bygger på arbetet med transportproteiner som pumpar ämnen lösta i vatten mot sin gradient. Sådant arbete kräver alltid energiförbrukning.
När ämnen av organisk eller oorganisk natur oxideras frigörs energi, vilket är så nödvändigt för bakteriecellen. Det går till bildandet av ATP-molekyler - en energikälla. För att utnyttja energin från kemiska reaktioner använder de flesta bakterier syre. Denna process kallas andning.
Aeroba bakterier (aeroba)
Aerober utvecklas i miljöer som innehåller syre.
Obligatorisk aerob utvecklas endast i närvaro av tillräckligt med syre i miljön. Denna typ av andning är karakteristisk för bakterier som lever i marken, i vattenmiljön och i luften.Deras andning sker genom oxidation av vätesulfid, metan, väte, järn och kväve (Sulfomonas denitrificans, B. methanicus, B. hydrogenes, Ferri-bakterien och Nitrosomonas, Nitrobacter). Bakterier i denna grupp deltar aktivt i kretsloppet av ämnen i naturen. Patogena bakterier från släktet Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella, etc. behöver syre Mykobakterier av tuberkulos, tularemi och kolera behöver ökade syrenivåer.
Fakultativa bakterier kan utvecklas i närvaro av en minimal mängd syre i miljön - Salmonella, Shigella, Escherichia, etc.
Ris. 8. På bilden bryter ammonifierande bakterier ner resterna av döda djur och växter.
Ris. 9. Cellulosabakterier bryter ner fibrer. Som ett resultat av deras arbete berikas jorden med humus, vilket avsevärt ökar dess fertilitet, och koldioxid återförs till atmosfären. Intracellulära symbionter är färgade gröna, och massan av bearbetat trä är gul.
Anaeroba bakterier (anaeroba)
Anaerober utvecklas utan tillgång till syre och sönderfaller organiska föreningar i en syrefri miljö. Fritt syre hämmar enzymaktiviteten hos dessa bakterieceller. Bakterier av denna typ lever i komposthögar, sår hos en sjuk person och tarmkanalen hos människor och djur.
Obligatoriska anaerober utvecklas inte i närvaro av syre i miljön (bakterier av släktet Clostridium, bakterier som orsakar mjölk- och smörsyrajäsning).
Fakultativa anaerober utvecklas i närvaro av syre eller utan det (kocker).
Med lite syre mikroaerofyller Clostridium histolyticum, Clostridium tertium etc. kan utvecklas.
Ris. 10.Bilden visar gas kallbrand. Sjukdomen orsakas av anaeroba bakterier av släktet Clostridium.
Ris. 11. Bilden visar mjältbrand. Sjukdomen orsakas av anaeroba bakterier av släktet Bacillus.
Ris. 12. Biosporin-Biopharma är ett inhemskt läkemedel som innehåller apatogena bakterier av släktet Bacillus. Bacillus sporer utsöndrar antimikrobiella ämnen som kan hämma tillväxten av ett antal opportunistiska bakterier utan att påverka den normala tarmmikrofloran.
Alla biokemiska processer i en bakteriecell sker med hjälp av enzymer - biologiska katalysatorer för kemiska reaktioner i ett levande system. Deras handling är endast inriktad på ett ämne. Enzymer är specifika för varje typ av bakterier. Mikroorganismer identifieras genom närvaron av vissa enzymer.
Enzymer av en bakteriecell består av 2 delar - protein och icke-protein (protes). Proteindelen består av enkla proteiner. Den icke-proteiniska delen inkluderar mikroelement som järn, koppar, kobolt, zink, vitaminer och deras derivat.
Beroende på typen av katalytiska egenskaper delas enzymer in i 6 grupper: oxidoreduktaser, transferaser, hydrolaser, lyaser, isomeraser och ligaser.
Ligaser och restriktionsenzymer används i stor utsträckning inom bioteknik (genteknik, läkemedels-, lätt- och livsmedelsindustri).
Enzymer i en bakteriecell distribueras inte slumpmässigt, utan på ett strikt ordnat sätt.
Enzymer som ansvarar för energimetabolism och näringstransport finns i cellernas cytoplasma.
Enzymer involverade i proteinsyntes är kopplade till ribosomer. Ett antal enzymer finns kaotiskt i cytoplasman.
Endoenzymer funktion inuti bakteriecellen.De påskyndar biosyntes och katabolismreaktioner. Exoenzymer utsöndras utåt av cellen, där näringsämnen bryts ner till enklare.
Hydrolytiska enzymer delta i nedbrytningen av makromolekyler. Olika sockerarter tjänar som substrat för dem.
Proteolytiska enzymer bryta ner proteiner.
Patogena bakterier utsöndrar enzymer som förstör vävnaderna i människo-, djur- eller växtkroppen. Till exempel utsöndrar stafylokocker plasmakoagulas, huvudfaktorn i mikrobens patogenicitet.
Ris. 13. Vinägerstavarnas förmåga att oxidera etylalkohol till ättiksyra används idag för att producera vinäger, som används för livsmedelsändamål och vid beredning av djurfoder - ensilering (konservering). Bilden visar processen för ensilering av foder. Ensilage är ett suckulent foder med högt näringsvärde.
Ris. 14. Bilden visar kolonier av bakterier som växer och förökar sig på en droppe olja. De producerar ytaktiva ämnen, vilket gör att oljefilmen sprids (rinna iväg). Bred tillämpad verksamhet xenobakterier för rengöring av jordar och vattendrag förorenade med petroleumprodukter.
Vissa bakterier kan glöda (luminescera) i mörker. Glöden är förknippad med frisättningen av ett enzym luciferas, som bildar ljuskvanta som ett resultat av redoxreaktioner. Forskare idag har inte hittat svar på många frågor relaterade till detta fenomen.
Genom att kolonisera på substrat orsakar bakterier luminescens, såsom fiskfjäll, svamp, ruttnande träd och livsmedelsprodukter. Många av dem kan föröka sig i miljöer med hög salthalt (halofila arter).
Ris. 15. Bilden visar glödande bakterier.
Ris. 16.Glödande bakterier är anledningen till att havet lyser.
Under sitt liv producerar vissa bakterier aromatiska ämnen (etylacetat och amylacetatestrar), som ger en speciell arom till vin, ostar och fermenterade mjölkprodukter.
Ris. 17. Bilden visar en kefirsvamp. Mer än tio mikroorganismer lever och reproducerar tillsammans i den (symbios). De viktigaste är mjölkjäst, ättiksyra och laktobaciller.
Nästan alla bakterier producerar pigment under sitt liv.
Pigmentet ligger mellan cellerna och ser ut som korn i Bacterium prodigiosum och Staphylococcus aureus.
I Bacterium violaceum finns pigmentet i skalet.
Bacterium pyocyaneum släpper ut pigment i miljön.
Vissa bakterier är vattenlösliga och färgar odlingsmediet. Staphylococcus och Sarcin pigment (gula pigment) är lösliga i alkohol, men inte lösliga i vatten. De bruna och svarta pigmenten från jäst och mögel löser sig inte i vare sig alkohol eller vatten.
Pigment bildas i närvaro av syre. De har en mängd olika färger. Deras fysiologiska roll har inte helt fastställts av forskare.
För närvarande studeras den kemiska sammansättningen och naturen hos de pigment som bakterier syntetiserar i stor utsträckning. Pigment är biologiskt aktiva ämnen - antibiotika, fytoncider, tillväxtstimulerande medel. Pigment är tillsammans med andra faktorer ett verktyg för deras taxonomi. Ryska forskare var de första som etablerade ett samband mellan bakteriepigment och deras fysiologiska funktioner.
Ris. 18. På bilden från vänster till höger: Morgans bakterie, Pseudomonas aeruginosa, oinokulerad kontroll, Proteus Mirabilis och Escherichia coli odlade i Kliglers medium (innehåller järncitrat).
Ris. 19.På bilden är mikrokockerkolonier gula.
Ris. 20. På bilden är kolonin Bacterium prodigiosum blodröd till färgen.
Ris. 21. På bilden är kolonin Bacteroides niger svart.
Ris. 22. På bilden finns en blågrön koloni av Pseudomonas aeruginosa färger.
Som alla levande varelser kännetecknas bakterier av processer som näring, andning, reproduktion och sporbildning. De producerar enzymer och pigment, vars närvaro används för att identifiera dem. Under miljontals år har bakterier bemästrat nästan alla kända biokemiska processer. De deltar i rörelsen av koncentration och spridning av kemiska element i jordens biosfär och säkerställer till fullo mänskligt liv.
