Соединением, определяющим жизнеспособность клетки, является вода. Количество воды составляет 75—90% от общей массы клетки. В ней растворе­ны многие, необходимые для организма соединения, а биохимиче­ские реакции протекают в водных растворах. В спорах вода нахо­дится в связанном состоянии и содержание ее снижается до 40%. С помощью воды осуществляется транспорт питательных веществ в клетку и выведение из нее продуктов обмена. Она играет опре­деленную роль и в теплорегуляции. Так, перестройка структуры во­ды, а именно экзотермический процесс образования водородных связей, позволяет в определенной мере снизить отрицательное воз­действие низких температур.

К числу наиболее важных химических элементов, составляющих основу органического вещества клеток, относятся углерод, азот, во­дород, кислород, фосфор, сера. Органическое вещество бактерий представлено белками, углеводами, жирами и другими группами органических соединений. Белки — наиболее важная составная часть живого организма. С ними связано протекание основных фи­зиологических процессов. Белки являются пластическим материа­лом, из которого построены клетки, могут использоваться в качест­ве энергетического материала, особенно при неблагоприятных ус­ловиях, входят в состав ферментов. В клетках микроорганизмов содержится большое количество белков, отличающихся по химиче­скому составу и строению. Они обусловливают специфичность микроорганизмов и их изменчивость под воздействием окружающей среды. В молодых клетках содержится большее количество белко­вых соединений. Особую роль в синтезе белков выполняют нуклеиновые кислоты — рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК), обусловливающие передачу наследственных свойств организма. Содержание белковых соединений зависит от условий внешней среды и при достаточном количестве питательных ве­ществ часть белков цитоплазмы откладывается в запас.

Углеводы являются постоянными компонентами, содержащими­ся в клетках микроорганизмов. Качественный состав их специфи­чен для каждого вида. В клетках бактерий количество углеводов в зависимости от условий изменяется от 10 до 30%. Углеводы (цел­люлоза) могут входить в состав оболочек, капсул, слизистых об­разований. Они иногда выполняют роль запасного материала, об­разуя включения, например гликоген. Углеводы — один из основ­ных источников энергии.

Жиры служат запасным веществом, и, количество их зависит от наличия питательных веществ в окружающей среде. У некоторых бактерий они выполняют защитную функцию, входя в состав кап­сулы, не проницаемой для растворов, содержащих токсичные для бактерий соединения. Наряду с углеводами они выполняют роль энергетического материала.

Жироподобные соединения — липоиды, входят в состав цито­плазмы, образуя с белком цитоплазмы липоидо-протеиновый комп­лекс. В наружном слое цитоплазмы они образуют мембрану, кото­рая служит для регулирования поступления соединений в клетку из внешней среды. Липоиды и жиры образуют группу липидов. От жиров липоиды отличаются наличием в их молекулах азота и фос­фора.

Состав минеральных соединений, содержащихся в клетках мик­роорганизмов, непостоянен и зависит от свойств и состава пита­тельных веществ. Неорганические соединения составляют примерно 1/300 от массы клетки. Основными элементами являются сера, же­лезо, хлор, кальций, натрий, калий, магний. Эти элементы участву­ют в важнейших реакциях обмена веществ. Калий, например, играет существенную роль в углеводном обмене и синтезе органиче­ских веществ клетки. Магний активирует деятельность некоторых ферментов.

В состав бактериальной клетки входят также микроэлементы,
играющие чрезвычайно важную роль в регулировании обмена веществ. Это прежде всего литий, марганец, йод, кобальт, медь, цинк
и др. Они входят в состав органических соединений клетки или содержатся в виде растворов. Многие из этих элементов содержатся
в ферментах. Химический состав бактерий претерпевает изменения
в процессе их жизнедеятельности.

Питание микроорганизмов.

Питательные вещества необходимы живым организмам для построения тела и как источник энергии.    Микроорганизмы проявляют избирательность по отношению к источникам питания. В зависимости от природы соединений, являющихся источником углерода, выделяются следующие группы:

1. Автотрофы – для синтеза органики используют углекислый газ или карбонаты.

2. Гетеротрофы – усваивают углерод органических соединений. Организмы, питающиеся мертвой органикой, называются сапрофитами. Организмы, питающиеся живой органикой, называются паразитами (вирусы, бактериофаги, патогенные микроорганизмы). С учетом химической природы соединений – поставщиков углерода, все организмы, по способу получения энергии, делятся на следующие группы:

1. Фототрофы:

а) фотолитотрофы, использующие солнечную энергию для построения живого вещества из неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода). Это организмы фотосинтетики (растения, зеленые водоросли, пурпурные серобактерии и др.).

СО₂ + Н₂О  СН₂О +О₂ – схема фотосинтеза.

СО₂ + Н₂S→ (CH₂O)_n + S +H₂O –фоторедукции

б) фотоорганотрофы – наряду с процессом фотосинтеза способны использовать энергию химических превращений органических веществ (несерные пурпурные бактерии).

1. Хемотрофы:

а) хемолитотрофы – используют энергию окисления неорганических соединений (водорода, аммиака, нитритов железа II и др.). К ним относятся железобактерии, нитрифицирующие бактерии, бесцветные серобактерии др. ;

б) хемоорганотрофы используют энергию химических превращений сложных органических соединений (бактерии, осуществляющие разложение органических соединений).

При изменении внешних условий многие организмы могут переходить на другой тип питания – это миксотрофы.

Кроме питательных веществ для нормальной жизнедеятельности бактерий необходимы факторы роста – витамины. Наиболее важными являются: рибофлавин (В₂), пиридоксин (В₆), никотиновая (РР), пантотеновая и фолиевая кислоты.

               Аккумулирование энергии в клетках микроорганизмов.

Обмен веществ в микроорганизмах осуществляется за счет многих ферментативных реакций, сопровождающихся выделением энергии или ее поглощением.

Микроорганизмы способны аккумулировать энергию в определенных макроэргических соединениях, содержащих химические связи, при разрыве которых выделяется большое количество энергии.

 Одним из таких соединений является АТФ, которое синтезируется из АДФ

АДФ + Н₃РО₄↔ АТФ

Энергия, выделяющаяся при расщеплении АТФ, расходуется на:   

- теплообразование,

- обеспечение жизненных процессов.

Обмен веществ неотделим от обмена энергии: при конструктивном обмене она  потребляется, а энергетическом – запасается.

Биологическое окисление. Типы дыхания микроорганизмов. Брожение.

Биологическое окисление – это совокупность окислительно – восстановительных реакций, протекающих с участием ферментов. Эти процессы являются источником энергии в организме.

При биоокислении происходит передача атомов водорода от одних соединений (доноров) другим соединениям (акцепторам). Или электроны передаются от доноров к акцепторам. Процессы, при которых акцептором водорода или электронов является О₂ , называются аэробными, а если другие соединения, анаэробными.

По типу дыхания микроорганизмы делятся на:

1. Аэробы.

2. Анаэробы.

Между ними существуют переходные формы – факультативные анаэробы. Например, Bacteria Coli.

При аэробном дыхании образуются конечные продукты – СО₂ + Н₂О.

Сюда относятся литотрофы и органотрофы.

 Если окисление не идет до конца, то оно называется неполным окислением.

При анаэробном дыхании разложение органических  веществ часто задерживается на промежуточной стадии.

Если в окружающем растворе не содержится питательных веществ, необходимых для получения энергии, то микроорганизмы окисляют запасные вещества, имеющиеся в клетке (эндогенное дыхание).

Брожением называется процесс, при котором ферментативная окислительно – восстановительная реакция проходит в анаэробных условиях при участии одного соединения, а акцептором водорода является один из продуктов реакции.

 Брожение идет в две стадии:

1. Происходит разрыв углеродной цепи и отнятие от субстрата атомов водорода    

                                        О

                                     ∕∕

С₆Н₁₂О₆ → 2Н₂ + 2СН₃-С – СООН (пировиноградная кислота).

2. Передача водорода акцептору, образовавшегося в ходе разложения субстрата.

Акцептором водорода могут быть масляная кислота, этиловый спирт, ацетон и др. или сама пировиноградная кислота.

СН₃ – СО – СООН +2Н₂ → СН₃ -  СН(ОН) – СООН + 200кДж.

                                                    Молочная кислота.

Атомы водорода вначале восстанавливают ферменты НАД или НАДФ до НАД∙Н₂ или НАДФ∙Н₂ по схеме.

Схема:

Субстрат ∙ Н₂ + НАД → субстрат + НАД ∙Н₂.

НАД ∙Н₂ + акцептор → НАД + акцептор ∙Н₂.

Аэробное дыхание включает две фазы:

1. Цикл реакций, в кот. субстрат окисляется до углекислого газа.

2. Передача кислороду.

1) Разложение пировиноградной кислоты через цикл Кребса. Суммарное уравнение выглядит

СН₃ – СО –СООН + 3Н₂О → 3СО₂ + 10Н⁺

2) Под действием оксидаз водород передается кислороду. Оксидазы – чаще всего цитохромы, содержащие железо.

НАД → НАДН₂ → ФАД → ФАДН₂

                    _Fe³⁺             _Fe²⁺                 _Fe²⁺

ФАДН₂  -    ↑  ↓ → ↑  ↓ → ↑  ↓    → O₂

           └ Н⁺    _Fe²⁺       _Fe³⁺          _Fe³⁺

                                                                                                                           Н₂О

                                                                                         ^{цитохромоксидаза}

Эти процессы сопровождаются синтезом АТФ.

Рис. 17. Схема окислительно – восстановительной цепи при аэробном дыхании.

При анаэробном дыхании освобождается больше энергии, чем при брожении. Например, при анаэробном дыхании образуется 38 молекул АТФ, а при брожении глюкоза -2.

Некоторые анаэробы в качестве акцептора Н₂ используют связанный кислород (NO₃ ^-, NO₂^-)- денитрификаторы.