Бактерии

ПЛАН : Введение. СТРОЕНИЕ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ Строение Сенсорные функции и поведение Размножение и генетика МЕТАБОЛИЗМ Питание Главные Дыхание БАКТЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ Литература Введение БАКТЕРИИ , обширная группа одноклеточных ми кроорганизмов , характеризующихся отсутствием окруженного оболочкой клеточного ядра . Вместе с тем генетический материал бактерии (дез оксирибонуклеиновая кислота , или ДНК ) занимает в клетке вполне определенное место – зону , называемую нуклеоидом . Организмы с таким строением клеток называются прок ариотами («доядерными» ) в отличие от всех остальных – эукариот («истинно ядерных» ), ДНК которых находится в окруженном оболочкой ядре . Бактерии , ранее считавшиеся микроскопическими растениями , сейчас выделены в самос тоятельное царство Monera – одно из пяти в нынешней системе классификации наряду с растениями , животными , грибами и протистами . СТРОЕНИЕ И ЖИЗНЕДЕ ЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ Бактерии горазд о мельче клеток многоклеточных растений и живот ных . Толщина их обычно составляет 0,5 – 2,0 мкм , а длина – 1,0 – 8,0 мкм . Разг лядеть некоторые формы едва позволяет разреша ющая способность стандартных световых микроскопо в (примерно 0,3 мкм ), но известны и виды д линой более 10 мкм и шириной , также выходяще й з а указанные рамки , а ряд очень тонких бактерий может превышать в д лину 50 мкм . На поверхности , соответствующей пос тавленной карандашом точке , уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства . Строение . По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий : кокки (более или менее сферические ), бациллы (палочки или ц илиндры с закругленными концами ), спириллы (жес ткие спирали ) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы ). Некоторые авторы ск лонны объединять две последние группы в о дну – спириллы . Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хр омосомы – очень длинной кольцевой молекулы ДНК , прикрепленной в од ной точке к клеточной мембране . У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл , называемых митохондриями и хлоропластами . У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания , а в хлоропластах идет фотосинтез ( см . также КЛЕТКА ) . У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь – клеточная мемб рана ) берет на себя функцию митохондрии , а у фотосинтезирующих форм – заодно и хлоропласта . Как и у э укариот , внутр и бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры – рибосомы , необходимые для синт еза белка , но они не связаны с какими-л ибо мембранами . За очень немногими исключения ми , бактерии не способны синтезировать стерол ы – важные компоненты ме м бран эукариотической клетки . Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной стенкой , несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток , но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы , но и аминокисл оты и специфические для бактерий вещества ). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть , когда в нее за счет осмоса поступает вода . Пове рх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула . Многие бактерии снабжены жгутиками , с помощью кот о рых они активно плавают . Жгутики бактерий устроен ы проще и несколько иначе , чем аналогичные структуры эукариот. Сенсорные функции и поведение . Многие бактерии обладают химическими рецепторами , которые регис трируют изменения кислотности среды и концент рацию различных веществ , например сахаров , ами нокислот , к ислорода и диоксида углерода . Для каждого вещества существует свой тип таких «вкусовых» рецепторов , и утрата каког о-то из них в результате мутации приводит к частичной «вкусовой слепоте» . Многие по движные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды – на изменения освещенности . Некоторые б актерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля , в том числе магнитного поля Земли , с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного жел езняка – Fe 3 O 4 ). В в оде бактерии используют эту свою спос обность для того , чтобы плыть вдоль силовы х линий в поисках благоприятной среды . Условные рефлек сы у бактерий неизвестны , но определенного рода примитивная память у них есть . Пла вая , они сравнивают воспринимаемую интен с ивность стимула с ее прежним значением , т. е . определяют , стала она больше или меньше , и , исходя из этого , сохраняют направление движения или изменяют его . Размножение и гене тика . Бактерии размножаются бесп олым путем : ДНК в их кл етке реплиц ируется (удваивается ), клетка делится надвое , и каждая дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК . Бактериальная ДНК может передаваться и между неделящимися кл етками . При этом их слияния (как у эука риот ) не происходит , число особе й не увеличивается , и обычно в другую кле тку переносится лишь небольшая часть генома (полного набора генов ), в отличие от « настоящего» полового процесса , при котором по томок получает по полному комплекту генов от каждого родителя . Такой перенос ДНК может о существл яться тремя путями . При трансформации бактери я поглощает из окружающей среды «голую» Д НК , попавшую туда при разрушении других ба ктерий или сознательно «подсунутую» эксперимента тором . Процесс называется трансформацией , поскольк у на ранних стадиях е г о изуче ния основное внимание уделялось превращению ( трансформации ) таким путем безвредных организмов в вирулентные . Фрагменты ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии особ ыми вирусами – бактериофагами . Это называетс я трансдукцией . Известен такж е проце сс , напоминающий оплодотворение и называемый конъюгацией : бактерии соединяются друг с друг ом временными трубчатыми выростами (копуляционным и фимбриями ), через которые ДНК переходит из «мужской» клетки в «женскую» . Иногда в бактерии присутствуют очен ь мелкие добавочные хромосомы – плаз миды , которые также могут переноситься от особи к особи . Если при этом плазмиды содержат гены , обусловливающие резистентность к антибиотикам , говорят об инфекционной резистент ности . Она важна с медицинской точки зрени я, поскольку может распространяться ме жду различными видами и даже родами бакте рий , в результате чего вся бактериальная ф лора , скажем кишечника , становится устойчивой к действию определенных лекарственных препаратов . МЕТАБОЛИЗМ Отч асти в силу мелких размеров бактерий интенсивно сть их метаболизма гораздо выше , чем у эукариот . При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин . Это объясняется тем , что ряд их важн е йших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью . Так , кролику для синтеза белковой молекулы требуются сч итанные минуты , а бактерии – секунды . Одн ако в естественной среде , например в почве , большинство бактерий находится «на голодном пайке», поэтому если их клетки и делятся , то не каждые 20 мин , а раз в несколько дней . Питание . Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофа ми . Автотрофы («сами себя питающие» ) не нуж даются в веществах , произведенных другими орг анизмами . В качестве главного или единст венного источника углерода они используют его диоксид (CO 2 ). Включая CO 2 и другие неорганические вещества , в частности аммиак (NH 3 ), нитраты (NO – 3 ) и различные соединения серы , в сложные химические реакции , они синтезируют все н еобходимые им биохими ческие продукты . Гетеротрофы («питающиеся другим» ) используют в качестве основного источника углерода (не которым видам нужен и CO 2 ) органические (углеродсодержащие ) ве щества , синтезированные другими организмами , в частности сахара . Ок исляясь , эти соедине ния поставляют энергию и молекулы , необходимы е для роста и жизнедеятельности клеток . В этом смысле гетеротрофные бактерии , к кот орым относится подавляющее большинство прокариот , сходны с человеком . Главные источники энерги и . Если для образо вания (синтеза ) клеточных компонентов используется в основном световая энергия (фотоны ), то процесс называется фотосинтезом , а способные к нему виды – фототрофами . Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фот оавтотр офов в зависимости от того , как ие соединения – органические или неорганичес кие – служат для них главным источником углерода . Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли ), как и зеленые растения , за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H 2 O). При этом выделяется свободный кислород ( 1 / 2 O 2 ) и образует ся водород (2H + ), который , можно сказать , превращает диок сид углерода (CO 2 ) в углеводы . У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды , а других не органических молекул , например сероводорода (H 2 S). В резуль тате также образуется водород , восстанавливающий диоксид углерода , но кислород не выделяет ся . Такой фотосинтез называется аноксигенным . Фотогетеротрофные бактерии , например пурпурны е несерные , исп ользуют световую энергию для получения водорода из органических вещ еств , в частности изопропанола , но его ист очником у них может служить и газообразны й H 2 . Если основной источник энергии в клет ке – окисление химических веществ , бактерии называются хемогет еротрофами или хемоавт отрофами в зависимости от того , какие моле кулы служат главным источником углерода – органические или неорганические . У первых о рганика дает как энергию , так и углерод . Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических вещес т в , например водорода (до воды : 2H 4 + O 2 ® 2H 2 O), железа (Fe 2+ ® Fe 3+ ) или серы (2S + 3O 2 + 2H 2 O ® 2SO 4 2 – + 4H + ), а углерод – из С O 2 . Эти организмы называют также хемолитотрофами , подчеркивая тем самым , что он и «питаются» горными породами . Дых ание . Клеточное дыхание – процесс вы свобождения химической энергии , запасенной в «пищевых» молекулах , для ее дальнейшего испол ьзования в жизненно необходимых реакциях . Дых ание может быть аэробным и анаэробным . В первом случае для него необходи м кислород . Он нужен для работы т.н . электр онотранспортной системы : электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выдел яется энергия ) и в конечном итоге присоеди няются к кислороду вместе с ионами водоро да – образуется вода . Анаэробным организма м кислород не нужен , а для некоторых видов этой групп ы он даже ядовит . Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны присоединяются к другим неорганическим акцепторам , например нитрату , су льфату или карбонату , или (при одной из форм такого дыхания – брожении ) к определенной органической молекуле , в частности к глюкозе БАКТЕРИИ И ПРОМЫШЛ ЕННОСТЬ Учитывая разноо бразие катализируемых бактериями химических реак ций , неудивительно , что они широко используютс я в производстве , в ряде случаев с глубокой древности . Славу таких микроскопически х помощников человека прокариоты делят с грибами , в первую очередь – дрожжами , кот орые обеспечивают большую часть процессов спи ртового брожения , например при изготовлении в ина и пива . Сейчас , когда стало воз м ожным вводить в бактерии полезные ге ны , заставляя их синтезировать ценные веществ а , например инсулин , промышленное применение э тих живых лабораторий получило новый мощный стимул. Пищевая промышленность . В настоящее время бактерии применяются этой отраслью в основном для производства сыров , других кисломолочных про дуктов и уксуса . Главные химические реакции здесь – образование кислот . Так , при по лучении уксуса бактерии рода Acetobacter окисляют этиловый спирт , содержащийся в сидре или других жидкостях , до уксусной кислоты . Аналогичные процессы происходят при квашении капусты : ана эробные бактерии сбраживают содержащиеся в ли стьях этого растения сах ара до молочн ой кислоты , а также уксусной кислоты и различных спиртов. БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПР ОМЫШЛЕННОСТИ Бактерии принос ят не только пользу ; борьба с их массо вым размножением , например в пищевых продукта х или в водных система х целлюлозно-бум ажных предприятий , превратилась в целое напра вление деятельности . Пища портится под действием бактерий , грибов и собственных вызывающих автолиз («сам опереваривание» ) ферментов , если не инактивировать их нагреванием или другими способами . П оскольку главная причина порчи все-таки бактерии , разработка систем эффективного хранен ия продовольствия требует знания пределов вын осливости этих микроорганизмов . Одна из наиболее распространенных техноло гий – пастеризация молока , убивающая бактери и , кот орые вызывают , например , туберкулез и бруцеллез . Молоко выдерживают при 61 – 63 ° С в те чение 30 мин или при 72 – 73 ° С всего 15 с . Это не ухудшает вкуса продукта , но инактивирует боле знетворные бактерии . Пастеризовать можно также вино , пиво и фруктовые соки . Давно известна польза хранения пищевых продуктов на холоде . Низкие температуры не убивают бактерий , но не дают им расти и размножаться . Правда , при замораживании , например , до – 25 ° С численность бактерий через нес колько месяцев снижается , однако большое ко личество этих микроорганизмов все же выживает . При температуре чуть ниже нуля б актерии продолжают размножаться , но очень мед ленно . Их жизнеспособные культуры можно храни ть почти бесконечно долго после лиофилизации (замораживания – высушивания ) в среде , со д ержащей белок , например в сыворот ке крови . К другим известным методам хранения п ищевых продуктов относятся высушивание (вяление и копчение ), добавка больших количеств соли или сахара , что физиологически эквивалентно обезвоживанию , и маринование , т.е . поме щение в концентрированный раствор кислоты . Пр и кислотности среды , соответствующей pH 4 и ниже , жизнедеятельность бактерий обычно сильно то рмозится или прекращается.