Лекции по "Основам микробиологии и биотехнологии"

    Главный структурный компонент клеточных  стенок – пептидогликан муреин. Молекула пептидогликана представляет собой правильную сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, соединенных между собой короткими пептидами. Полисахаридные цепи состоят из чередующихся остатков N-ацетил- N-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных b-1,4-связями. Пептиды состоят из аминокислот L-аланина, D-аланина, D-глутаминовой кислоты, лизина и диаминопимелиновой кислоты. 

      
 
 

    По  строению клеточной стенки различают два основных типа бактерий. Было обнаружено, что если фиксированные клетки бактерий обработать сначала красителем кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуется окрашенный комплекс. При последующей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки бактерии либо остаются окрашенными, либо обесцвечиваются. По имени датского ученого Х.Грама, предложившего такой способ окрашивания, бактерии, сохраняющие окраску, назвали Грам-положительными (Грам+), а обесцвечивающиеся бактерии – Грам-отрицательными (Грам-). Исследования показали, что клеточная стенка Грам+ бактерий состоит из многослойного пептидогликана (40-60% сухой массы клеточной стенки), с которым соединяются вторичные полимеры – тейхоевые и тейхуроновые кислоты. У Грам-отрицательных бактерий есть наружная мембрана, состоящая из фосфолипидов, липополисахаридов, липопротеинов и белков. Под наружной мембраной расположен слой, заполненный раствором жидких белков, олигосахаридов и неорганических соединений -  периплазма. Под периплазмой находится тонкий слой пептидогликана, который составляет всего 10% от массы клеточной стенки.  

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Цитоплазматическая  мембрана служит главным барьером между цитоплазмой клетки и окружающей внешней средой. При разрушении цитоплазматической мембраны клетка погибает. Цитоплазматическая мембрана состоит из двойного слоя липидов, в который погружены молекулы белков. Основная масса мембранных липидов представлена фосфолипидами. Около 50% поверхности цитоплазматической мембраны составляют мембранные белки. Белки обеспечивают транспорт веществ из клетки и в клетку (транспортные), регулируют внутримембранные и внутриклеточные процессы (ферменты), выполняют рецепторную функцию (рецепторы), участвуют в организации межклеточных контактов и служат для прикрепления внутриклеточных структур к мембране (структурные). Общая толщина мембраны составляет 7-8 нм. Цитоплазматическая мембрана контролирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Нередко мембрана образует впячивания внутрь клетки, приводящие к формированию особых структур – мезосом. Чаще всего они образуются в зоне образования клеточной перегородки при делении клеток и поставляют материал для построения новой клеточной стенки. На цитоплазматической мембране и мембранах мезосом локализованы ферменты, которые обеспечивают клетку энергией, контролируют обмен веществ, фото- и хемосинтез, фиксацию азота и другие процессы. Увеличение поверхности мембран дает возможность для размещения большего количества ферментов, делает работу клетки более активной и упорядоченной. С цитоплазматической мембраной и мезосомами бактерий связаны и многие другие функции: биосинтез клеточной стенки и капсулы, выделение экзоферментов, деление, спорообразование.

    Цитоплазма. Под цитоплазматической мембраной находится цитоплазма. Она состоит из цитозоля и структурных элементов. Цитозоль это коллоидная система, состоящая из воды, белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других веществ, соотношение которых варьирует в зависимости от вида и возраста бактерий. Цитозоль служит поддерживающей средой для структурных элементов. Структурные элементы бактериальной клетки представлены рибосомами – круглыми или удлиненными тельцами из РНК (60%) и белка (40%). На рибосомах осуществляется синтез клеточных белков.

    Включения — необязательные, непостоянные структуры клетки; подразделяются на трофические (запас питательных веществ в клетке — липиды, гликоген); секреторные (секреторные продукты клетки); экскреторные (отработанные ненужные вещества, хранящиеся внутри клетки); пигментные (гемоглобин, гемосидерин, меланин, липофусцин). Включения имеют вид гранул или пузырьков.

    Нуклеоид. В цитоплазме бактериальной клетки расположен нуклеоид – зона, содержащая ДНК. Бактериальная ДНК представляет собой свернутую в кольцо нить, называемую бактериальной хромосомой. ДНК бактерий не отделена от остальной цитоплазмы мембраной. Это отличительное свойство прокариот – организмов, не имеющих оформленного ядра. ДНК нуклеоида в нескольких местах связана с цитоплазматической мембраной. Нуклеоид бактерий – основной носитель информации о свойствах клетки и основной фактор передачи этих свойств потомству. В покоящейся бактериальной клетке один нуклеоид. Клетки в фазе, предшествующей делению, имеют два нуклеоида; в фазе активного размножения может быть четыре и более нуклеоидов.

    Кроме нуклеоида в цитоплазме бактериальной  клетки могут находиться в сотни  раз более короткие кольцевые  нити ДНК – плазмиды. Присутствие  плазмид обеспечивает дополнительные полезные свойства, например, устойчивость к токсинам, производство антибиотиков, возможность обмена генетической информацией между бактериями. 

    Строение  эукариотической  клетки 

    Клетки  эукариот организованы гораздо сложнее, чем прокариотические. Внутреннее пространство клетки разделено на ряд полостей, окруженных своей мембраной и называемых органеллами. Снаружи клетка одета клеточной стенкой, которая состоит не из пептидогликана, как у бактерий, а из целлюлозы. Под клеточной стенкой есть цитоплазматическая мембрана, состоящая из двух слоев фосфолипидов со встроенными в липидный бислой белками. Вещество наследственности заключено в ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. Это уже не голая ДНК, а сложный комплекс нуклеиновых кислот с белками, собранный в хромосомы, число и морфология которых специфичны для каждого вида. В ядре можно увидеть ядрышко - округлое темно-окрашенное тельце, место образования рибосом.

    Вся цитоплазма пронизана сетью мембранных каналов – эндоплазматическим ретикулумом. К внешней поверхности мембраны прикреплены рибосомы. Они синтезируют белок, который поступает в полость ретикулума. В мембрану встроены ферменты, которые регулируют синтез и распад веществ в клетке. Каналы эндоплазматического ретикулума соединены со всеми органеллами. Эндоплазматический ретикулум играет очень важную роль в синтезе и переносе веществ в клетке. Другой органеллой, предназначенной для транспорта веществ по клетке и выведения их наружу, является комплекс Гольджи - система плоских мембранных мешочков, сложенных наподобие стопки тарелок, и ассоциированных с ними пузырьков. Такая стопка называется диктиосомой. Их в клетке может быть от 1 до сотни. Пузырьки могут отшнуровываться и отходить. Содержимое пузырьков может использоваться, например, при синтезе цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. 

    В цитоплазме клеток эукариот находятся также вакуоли – мешочки, заполненные водянистым раствором и окруженные мембраной – тонопластом. В вакуоли поступает избыточная вода, неметаболизируемые вещества, в том числе и токсичные. Вакуоли являются резервуарами запасных веществ, которые по мере надобности могут выходить в цитоплазму. Мешочки меньшего размера, окруженные мембраной – лизосомы и пероксисомы – выполняют функции утилизации отходов. Внутри лизосом находятся гидролитические ферменты, разрушающие макромолекулы — белки, углеводы и жиры до низкомолекулярных продуктов, которые могут через мембрану диффундировать в цитозоль. Внутри лизосом поддерживается кислая рН, так как ферменты активны в кислой среде.

    Очень важными органеллами являются митохондрии.Это силовые установки клетки, в митохондриях химическая энергия углеводов и жиров превращается в такие формы, которые могут использоваться клеткой. Митохондрии представляют собой мешочки округлой или вытянутой формы, стенка которых состоит из двух мембран. Наружная мембрана гладкая, обладает обычной проницаемостью. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью, в ней есть впячивания — кристы, в нее встроены ферменты энергетического метаболизма. Полость митохондрии заполнена матриксом, который состоит из множества ферментов, рибосом, ДНК, РНК, промежуточных продуктов распада жирных кислот и углеводов.

    Клетки  зеленых водорослей улавливают энергию  солнечного света и превращают ее в химическую энергию при помощи хлоропластов. Хлоропласт окружен оболочкой из двойной мембраны и содержит сложную внутреннюю систему мембран. Внутренние мембраны, имеющие вид уплощенных мешочков, называются тилакоидными мембранами. Они погружены в водянистую строму. Иногда тилакоиды упакованы в пачки – граны. На мембранах хлоропластов закреплены молекулы хлорофилла и ферменты, участвующие в процессе фотосинтеза. В результате их слаженной работы из углекислого газа и воды под действием энергии солнца образуются молекулы глюкозы и выделяется кислород. Глюкоза может в дальнейшем использоваться клеткой или полимеризоваться в крахмал и откладываться в пластидах.

    Митохондрии и хлоропласты присутствуют в  клетке в большом количестве. Они  имеют собственную ДНК и рибосомы, способны к самостоятельному воспроизведению. На основании структурных и функциональных признаков хлоропластов и митохондрий (ДНК, РНК и рибосомы бактериального типа) считается, что они происходят от прокариотических клеток, поглощенных чужими клетками в процессе эволюции и приспособившихся к симбиотическому существованию.

    Строение клетки эукариот значительно более совершенно, чем бактерий. Разделение клетки на отдельные полости обеспечивает одновременное протекание многих физиологических процессов, иногда даже несовместимых между собой. Закрепление ферментных комплексов на мембранах делает обмен веществ более эффективным, повышает энергетический и биосинтетический потенциал клетки.

    В таблице приведены сравнительные  характеристики прокариотных и эукариотных  клеток. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. Микробная биотехнология.  Значение биотехнологии  для различных  областей человеческой  деятельности. 

    К одним из самых древних областей человеческой деятельности относятся хлебопечение, виноделие, пивоварение, которые в основе своей имеют не что иное, как жизнедеятельность микроорганизмов – хлебопекарных и винных дрожжей. Сюда же можно отнести получение кисломолочных продуктов, сыров с помощью молочнокислых бактерий, пищевого уксуса с помощью уксуснокислых бактерий. Следы такого рода деятельности были обнаружены у древних народов, живших 8 тысяч лет назад. С тех пор как были открыты микроорганизмы и определены их физиологические особенности, практическое использование микробов стало осознанным, было поставлено на промышленную основу и получило бурное развитие.

    Промышленное  использование микроорганизмов  потребовало разработки специальной  аппаратуры и технологий. Технология это совокупность способов, приемов для получения из исходного материала (сырья) некоторого практически ценного продукта.

    Все основные технологии можно разделить  на три основных класса.

1. Физико-механические технологии – исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не изменяет своего химического состава. Примерами могут служить изготовление досок из бревен или отливка металлических изделий.
2. Химические технологии – в процессе получения продукта сырье претерпевает изменения химического состава. Примеры: производство из природного газа спирта, полиэтилена, синтетического каучука, производство из природного газа и воздуха удобрения аммиачной селитры, получение красителей и многих лекарств из простых химических соединений (кислоты, щелочи, бензола и др.).
3. Биотехнологии в отличие от физико-механических и химических технологий предполагают использование живых организмов или их компонентов.

    По  определению Европейской Биотехнологической Федерации (ЕБФ) биотехнология является такой интеграцией естественных и инженерных наук, при помощи которой использование клеток, клеточных структур и отдельных биомолекул дает возможность получения качественно улучшенных и дешевых продуктов медицинского и промышленного назначения или проведения других полезных манипуляций.