Строение и химический состав бактериальной клетки

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БАКТЕРИАЛЬНОЙ  КЛЕТКИ

Все живые организмы состоят  из одних и тех же химических элементов. Растительные, животные и бактериальные  клетки содержат в своем составе  кислород, углерод, водород и азот. На долю этих элементов приходится до 98 % массы клетки. Эти элементы называются органогенами и составляют основу органического вещества клетки. Среди химических элементов в  составе клетки преобладает кислород, содержание которого колеблется в пределах 65-75%. Преобладание кислорода объясняется  тем, что это химический элемент  входит в состав молекулы воды, содержание которой в живых клетках достигает 90%.

В высушенных клетках соотношение  химических элементов меняется и  преобладающим из них является углерод. Помимо органогенных элементов в  клетках присутствуют кальций, фосфор, калий, сера, натрий, магний, железо и  хлор. Сумма перечисленных элементов  составляет до 3 % массы клетки. Клеточное  вещество микроорганизмов содержит неорганические и органические вещества. Неорганические вещества в клетке предоставлены  водой и минеральными солями. Воды в живой клетке содержится от 75 -90 %. Роль воды в клетке разнообразна. Химические процессы протекают в  живом организме только с участием воды. Все питательные вещества поступают  в клетку в виде водных растворов. Удаление из клетки отработанных продуктов  происходит так же с помощью воды. Непосредственное участие вода принимает  и  в химических реакциях, протекающих  в клетке микроорганизмов. Например, вода участвует в окислительно – восстановительных процессах, в реакциях гидролитического расщепления сложных органических соединений. Нормальная жизнедеятельность клетки, ее развитие и размножение происходит только в водной фазе окружающей среды. Вода активно участвует в тепловом балансе клетки. Образование межмолекулярных водородных связей сопровождается выделением тепла, а их разрыв – поглощение тепла. При изменении температуры окружающей среды энергии затрачивается на разрыв или образование дополнительных водородных связей, вследствие чего ослабевает на клетку воздействие температурных колебаний. Вода в клетке присутствует в форме самостоятельного вещества (свободная вода), так и в соединении с компонентами цитоплазмы (связанная вода). Содержание связанной воды влияет на способность клетки к перенесению неблагоприятных условий. Чем ниже степень гидратации, тем устойчивее клетки микроорганизмов к повышенным и пониженным температурам и высушиванию, тем устойчивее белки к свертыванию. При значительной потере  воды все процессы в клетках замирают. Содержание сухого вещества в клетке колеблется в широких пределах от 10 до 50%. Количество минеральных солей в сухом остатке составляет в среднем 5-10%, при этом азота 8-15, фосфора 1-5; калия 2,2-2,8; магния и кальция в сумме 0,4-0,9%.

Каждый химический элемент  в жизни клетки играет определенную роль. Например соединения фосфора, водящие в состав нуклеиновых кислот, жироподобных веществ, играют важную роль в процессах обмена; соединения калия – в процессах роста клетки; элементы, содержащиеся в золе, - процессах жизнедеятельности клетки.  Сера входит в состав некоторых аминокислот, ферментов и витаминов. Магний содержится в составе хлорофилла. Ионы кальция и магния стимулируют активность ферментативных реакций. Железо играет существенную роль в окислительно – восстановительных процессах. Медь, кобальт, цинк и некоторые другие тяжелые металлы, относящиеся к микроэлементам, необходимы микроорганизмам в количествах 10^-2-10^-4 мг*л^-1. Роль этих микроэлементов в жизни клетки связана со стимуляцией действия витаминов и ферментов. Например, кобальт входит в состав витамина В12, молибден и бор способствуют усвоению молекулярного азота клубеньковыми бактериями, а медь и цинк входят в состав окислительных ферментов. Углеводы в бактериальной клетке используются для синтеза белков и жиров, для построения клеточных оболочек и капсул.  Содержание углеводов в теле клетке бактерий составляет  12-18% от сухой массы в ряде случаев может достигать и 20%. В тканях растений содержание углеводов составляет 80%, а в животных клетках не более 2% от сухой массы. Все углеводы делятся на моносахариды и полисахариды. Из моносахаридов наибольшее распространений и значение получила глюкоза, а из полисахаридов – рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот. Моносахариды, взаимодействия друг с другом с выделением одной молекулы воды, образуют полисахариды. ди - , три- итетрасахариды относятся к полисахаридам первого порядка и хорошо растворяются в воде. Более сложные полисахариды составляют группу второго порядка, в воде не растворяются, а склонны к образованию коллоидных растворов. В зависимости от химического состава полисахариды подразделяются на пентазаны, сексазаны и смешанные полисахариды, содержащее в своем составе гексозы, пентозы и другие вещества.  В клетках микроорганизмов преобладают гексозаны. Из дисахаридов присутствуют сахароза, состоящая из глюкозы и фруктозы, мальтоза, содержащая 2 молекулы глюкозы, а так же лактоза, в состав которой входят глюкоза и галактоза. Из полисахаридов второго порядка в клетках микроорганизмов содержаться декстраны, представляющие собой гексозаны, растворимы в воде с молекулярной массой, близкой к миллиону, а так же целлюлоза и крахмал.

Смешанные полисахариды содержатся в капсулах бактерий и входят в  состав клеточных оболочек. Многие микроорганизмы образуют слизи, состоящие  из полимеров.

Углеводы в клетках  живых организмов служат первичным продуктами органического синтеза, из которых впоследствии строится все многообразие органических веществ. Углеводы откладываются в виде запасного питательного вещества в тканях растений и животных, а также служат одним из основных источников энергии для всех живых организмов.

Рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот, участвуют в передаче наследственной информации, в синтезе белка и  в энергетическом обмене. В растительных клетках углеводы образуют клеточную  оболочку, а в организме животных обеспечивают прочную связь между  клетками в тканях.

Жиры служат источником энергии  в клетке. Из химических элементов  в состав жиров входят углерод, кислород и водород. В отличие от углеводов  жиры содержат небольшое число атомов кислорода. Молекула жира чаще всего  содержит всего 6 атомов кислорода, поскольку  молекулы этих органических соединений образованы одной молекулой глицерина  и тремя остатками жирных кислот. Содержание жира в клетке зависит  как от вида микроорганизмов, так  и от условий их выращивания. Количество жиров в клетке живого организма  не превышает 3-7% от сухой массы.

Остатки алифатических кислот придают жирам гидрофобные свойства. Глицерин обладает гидрофильными свойствами, поэтому на поверхности воды жиры образуют пленку толщиной в одну молекулу: к воде обращены остатки глицерина, а из воды выступают гидрофобные  углеводородные цепи остатков высокомолекулярных жирных кислот.

Жиры участвуют в регулировании  проницаемости клеточной оболочки и в адсорбционных процессах, протекающих в цитоплазме.

Белки входят в состав органического  вещества клетки и занимают ведущее  место в химическом составе любой  клетки. Именно белки определяют видовую  специфичность организма. Белки  являются по своему составу и строению наиболее сложными из известных химических веществ. Их молекула, состоящая из сотен или тысяч и атомов, обладает огромными размерами. Такие молекулы получили название макромолекул.

Основной составной частью молекулы белка являются аминокислоты, которые могут быть представлены общей формулой R – CHNH₂COOH. Как видно из общей формулы, в состав молекулы аминокислоты входят две функциональные группы – амино -  NH₂  и карбоксильная COOH группы. Первая группа придает аминокислотам щелочные свойства, а вторая – кислотные, благодаря чему белки обладают амфотерными свойствами.

Аминокислоты взаимодействуют  друг с другом, образуют длинные  полимерные цепочки, так называемые полипептиды, благодаря чему белки  являются полимерными органическими  веществами.

К настоящему времени достоверно установлено наличие в белках 25 различных аминокислот. Последовательность чередования аминокислот полипептидной  цепи определяет специфичность различных  белковых структур. Большое разнообразие белков в природе объясняется  безграничной возможностью различных  сочетаний 25 аминокислот в полипептидных  цепях.

Все белки подразделяются на две большие группы. Белки, состоящие  только из аминокислот, называются протеинами. А белки, содержащие помимо аминокислот  какое – либо соединение небелковой природы, называются протеидами. Небелковая часть молекулы протеидов называется простетической группой.

Классификация протеинов  носит условный характер и основана большей частью на их способности  к растворению. Например, альбумины  растворимы в воде и выпадают в  осадок в насыщенных солевых растворах. Глобулины, напротив, в воде не растворимы, но растворимы в водных растворах  различных солей.

Классификация протеидов  основана на химической природе простетической группы. В зависимости от химической природы небелкового компонента различают: гликопротеиды (белок с  углеводом), липопротеиды (белок с  липидами), нуклеопротеиды (белок с  нуклеиновыми кислотами) и хромопротеиды (белок с пигментом).

Функции белков  в клетке  многообразны. В теле живых организмов химические реакции протекают с  большими скоростями. Это объясняется  присутствием в клетке биологических  катализаторов белковой структуры, так называемых ферментов. Белки  входят в состав клеточных мембран  и следовательно, выполняют структурные функции. Белки осуществляют также и двигательные функции, поскольку движение жгутиков бактерий происходит с помощью белков. Белок крови – гемоглобин – переносит кислород ко все участкам тела организма. Иммунологические реакции также связаны с деятельностью белков j – глобулинов. Белки, кроме того, служат  и источником энергии для организмов. В том случае, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров, аминокислоты белков подвергаются процессу дезаминирования и окисляются наряду с жирными кислотами.

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

В клетке постоянно идут процессы созидания. Из простых веществ образуются более сложные, из низкомолекулярных - высокомолекулярные. Синтезируются белки, сложные углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты. Синтезированные вещества используются для построения разных частей клетки, ее органоидов, секретов, ферментов, запасных веществ.

          Пластический обмен — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием энергии. Синтез белков из аминокислот, жиров из глицерина и жирных кислот. 
         Значение пластического обмена: обеспечение клетки строительным материалом для создания клеточных структур; органическими веществами, которые используются в энергетическом обмене. 
      Фотосинтез и биосинтез белков — примеры пластического обмена.    

  Последовательность нуклеотидов  в молекуле ДНК — матричная  основа для расположения нуклеотидов  в молекуле иРНК, а последовательность  нуклеотидов в молекуле иРНК  — матричная основа для расположения  аминокислот в молекуле белка  в определенном порядке. 
     
 Этапы биосинтеза бела: 
     
     1) транскрипция — переписывание в ядре информации о структуре белка с ДНК на иРНК.. Молекула иРНК — копия одного гена, содержащего информацию о структуре одного белка. Генетический код — последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, которая определяет последовательность аминокислот в молекуле белка. Кодирование аминокислот триплетами — тремя рядом расположенными нуклеотидами; 
     
   2)Перемещение иРНК из ядра к рибосоме, нанизывание рибосом на иРНК. Расположение в месте контакта иРНК и рибосомы двух триплетов, к одному из которых подходит тРНК с аминокислотой. Дополнительность нуклеотидов иРНК и тРНК — основа взаимодействия аминокислот. Передвижение рибосомы на новый участок иРНК, содержащий два триплета, и повторение всех процессов: доставка новых аминокислот, их соединение с фрагментом молекулы белка. Движение рибосомы до конца иРНК и завершение синтеза всей молекулы белка. 
     

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

             Первичным источником энергии в живых организмах является Солнце. Энергия, приносимая световыми квантами (фотонами), поглощается пигментом хлорофиллом, содержащимся в хлоропластах зеленых листьев, и накапливается в виде химической энергии в различных питательных веществах. Все клетки и организмы можно разделить на два основных класса в зависимости от того, каким источником энергии они пользуются. У первых, называемых аутотрофными (зеленые растения), СО2 и Н2О превращаются в процессе фотосинтеза в элементарные органические молекулы глюкозы, из которых и строятся затем более сложные молекулы. Клетки второго класса, называемые гетеротрофными (животные клетки), получают энергию из различных питательных веществ (углеводов, жиров и белков), синтезируемых аутотрофными организмами. Энергия, содержащаяся в этих органических молекулах, освобождается главным образом в результате соединения их с кислородом воздуха (т.е. окисления) в процессе, называемом аэробным дыханием. Этот энергетический цикл у гетеротрофных организмов завершается выделением СО2 и Н2О.  
 
Клеточное дыхание - это окисление органических веществ, приводящее к получению химической энергии (АТФ). Большинство клеток использует в первую очередь углеводы. Полисахариды вовлекаются в процесс дыхания лишь после того, как они будут гидролизованы до моносахаридов: Крахмал (у растений) ,Гликоген (у животных) . Жиры составляют «первый резерв» и пускаются в дело главным образом тогда, когда запас углеводов исчерпан. Однако в клетках скелетных мышц при наличии глюкозы и жирных кислот предпочтение отдается жирным кислотам. Поскольку белки выполняют ряд других важных функций, они используются лишь после того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров.