Химический состав клетки

Все живые организмы состоят из одних и тех же химических элементов. И растительные, и животные, и бактериальные клетки содержат кислород, углерод, водород и азот. На долю этих элементов приходится до 98 % массы клетки. Больше всего в живых клетках кислорода—6 —75 %. Преобладание кислорода объясняется тем, что в живых организмах содержится очень много, иногда до 98 %. воды. В высушенных клетках соотношение элементов меняется, и на первое место становится углерод. Кроме четырех перечисленных элементов, в клетках непременно присутствуют кальций, фосфор, калий, сера, натрий, магний, железо и хлор. Все вместе они составляют от 1,9 до 3,0 % массы клетки. Все остальные элементы, а их обнаружено около 60, составляют в клетках живых организмов сотые доли процента.

Элементарный состав биомассы различных микроорганизмов весьма сходен. Так, сухое вещество бактерий и плесневых грибов имеет элементарную формулу C14H21O7N2, а водорослей—C15H16O5N2. Элементарный состав биомассы активного ила, в который, помимо бактерий, входят микроскопические животные,— C5H9O2N.

Клеточное вещество микроорганизмов содержит неорганическую и органическую части. К первой относятся вода и минеральные соли, вторая представлена в основном углеводами, жирами, белками и нуклеиновыми кислотами.

Вода и минеральные соли

Вода в клетках микроорганизмов обычно составляет от 75 до 90%. Колебания зависят от вида организма, возраста культуры, состава питательной среды, условий существования и других причин.

Роль воды в организме разнообразна. Химические процессы, протекающие в живом организме, невозможны при отсутствии воды. Все питательные вещества поступают в клетку в виде водных растворов. С помощью воды из клеток удаляются многие отработанные продукты. Вода принимает и непосредственное участие в химических реакциях, протекающих в клетке, например, в гидролитическом расщеплении сложных соединений, в реакциях окисления—восстановления и других процессах. Поэтому нормальная жизнедеятельность клеток, их развитие и размножение происходят только в водной фазе окружающей среды.

Потребность различных микроорганизмов в воде неодинакова: бактерии не способны жить в отсутствие капельной воды, в то время как многие грибы и актиномицеты могут довольствоваться парами воды. Потребность организма в воде можно выразить количественно, с помощью параметра «активность воды» окружающей среды или субстрата. Активность воды (аw) представляет собой отношение давления пара раствора к давлению водяного пара. Для воды значение aw равно 1,00, при растворении в воде различных веществ aw снижается. Микроорганизмы могут расти на средах со значением aw между 0,99 и 0,63, причем для большинства бактерий оптимум развития лежит в пределах 0,99—0,93, дрожжей—0,91—0,88; некоторые штаммы дрожжей и плесеней способны нормально функционировать и при более низких значениях aw.

Вода активно участвует в тепловом балансе клетки. Строение молекулы воды, ее полярность, обеспечивает возможность образования дополнительных связей между атомами водорода, относящимися к разным молекулам.

Многообразие биологических функций воды в клетке объясняется тем, что она присутствует в ней не только в форме самостоятельного вещества (свободная вода), но 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 к пониженным и повышенным температурам и высушиванию, тем устойчивее белки к свертыванию.

При значительной потере воды всё процессы в клетках замирают. При образовании спор у бактерий и цист у простейших вода в клетке переходит в связанное состояние.

Содержание сухих веществ в клетке варьирует в широких пределах, но в среднем колеблется от 10 до 30 %. Содержание минеральных солей в сухом остатке составляет в среднем 5—10 %, но оно в очень большой степени зависит от вида микроорганизма, возраста культуры и состава питательной среды. Так, содержание фосфора (Р2О5) изменяется в пределах от 5 до 74% от общей массы сухого остатка, калия (К2О)—от 2,4 до 39,8, натрия (Na2O) —от 0,2 до 28, кальция (СаО)—от 0,3 до 14,0, магния—от 0,12 до 12 %. В среднем в сухом остатке азот составляет 8—15 %, фосфор—1,5—5, калий—2,2—2,8, магний и кальций—0,4—0,9 %.

Различная потребность организмов в элементах минерального питания определяется той ролью, которую каждый элемент играет в жизни клетки. Соединения фосфора, входящие в состав нуклеиновых кислот, жироподобных веществ, играют очень важную роль в обмене. Калий имеет большое значение для процессов роста клеток. Элементы, содержащиеся в золе в меньшем количестве, не менее существенны для жизни клетки: сера входит в состав некоторых аминокислот (цистин, метионин), ферментов (коэнзим А) и витаминов (биотин, тиамин); магний—в состав хлорофилла, а также—в виде рибонуклеата—в состав клеточных стенок грамположительных бактерий. Кроме того, ионы магния и кальция стимулируют активность ферментативных реакций. Железо играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах. Медь, кобальт, цинк и некоторые другие микроэлементы требуются микроорганизмам в количестве 0,01—0,0001 мг/л. Обычно их не вносят в питательную среду, так как они в достаточном количестве содержатся в природной воде. Роль этих микроэлементов в жизни клетки чаще всего связана со стимуляцией действия витаминов и ферментов: например, кобальт входит в состав витамина Bi2, молибден и бор способствуют усвоению молекулярного азота клубеньковыми бактериями, медь и цинк входят в состав окислительных ферментов.