Химичен състав на микроорганизмите

Химичният състав на прокариотните микробни клетки е сходен с този на еукариотните клетки на животните и растенията. Състои се вода и сухо вещество. За състава на сухото вещество са характерни химични елементи като въглерод (C), азот (N), водород (H), кислород (O), сяра (S), фосфор (P), които са представени в различен процент при отделните видове микроорганизми, както и в един и същ вид, но при различни условия на външната среда. За определяне на химичния състав на микроорганизмите се използват качествен и количествен химичен анализ.

Съдържание на вода в микроорганизмите

Водното съдържание в микробните клетки е около 80% от общата клетъчна маса, но варира в границите между 72-98%. Подобно на еукариотните клетки, водата в прокариотите е основното химично съединение, служещо като среда, в която се извършват всички вътреклетъчни обменни процеси, и е основен разтворител на органични и неорганични вещества. Критичното значение на водата за жизнената дейност на клетките се доказва при понижаване на нейното съдържание в средата, при което настъпва задържане или спиране на клетъчното размножаване, а често се наблюдава и спиране на жизнените процеси. Определени микробни видове, като представителите на род Clostridium и антраксния бацил (Bacillus anthracis), образуват спори при понижаване на водата в заобикалящата ги среда. В този случай водното съдържание в спорите спада до 40% от масата им.

Стихването на жизнените процеси в микробните клетки при ниско съдържание на вода се използва в промишлеността за производството и съхранението на хранителните продукти чрез изсушаване. Този метод обикновено води до загиване на повечето микроорганизми. Лиофилизацията представлява специален метод на изсушаване на микробните клетки, при който изсушаването се извършва в условия на вакуум и замразяване на клетките при температура между -20 и -30 °C, при която водата e замразена, но не кристализира. Този метод довежда микробните клетки до анабиоза, в която могат да се запазят жизнеспособни с десетилетия. Поради тази причина, методът на лиофилизация служи за съхранение на важни бактериални и вирусни щамове, ваксини и пр.

Сухо вещество в микробните клетки

Сухото вещество на микроорганизмите, като процент от тяхната маса, варира между 3-25%. То включва неорганични и органични съединения.

Неорганични вещества в химичния състав на микроорганизмите

Към неорганичните вещества, влизащи в състава на микробните клетки, се отнасят минералите и техните соли. Определянето на минералния им състав се извършва след изгаряне на клетките, при което се унищожават органичните съединения и се отделят органогенни елементи като C, N, O и H. Минералното съдържание зависи от химичния състав на външната среда, включва елементи като калий, калций, цинк, магнезий, желязо, молибден, манган, никел, кобалт и др., и представлява 3-14% от сухото вещество. Важен елемент в състава на сухия остатък е въглеродът, тъй като въглерод-съдържащите съединения са основа и важен елемент на органичните вещества, както в прокариотните, така и в еукариотните клетки. Други органогенни елементи със съществено значение са кислородът и азотът. При изгаряне на микроорганизмите в пепелта се открива голямо количество фосфор, който участва в изграждането ензимите, фосфолипидите и нуклеиновите киселини. В по-малко количество се съдържа сяра, която влиза в състава на някои аминокиселини и участва в окислително-редукционните процеси, както и желязо - важен елемент в множество ензимни системи на клетката.

Органични вещества в химичния състав на микроорганизмите

Органичните вещества на микробните клетки включват белтъци, въглехидрати, липиди и нуклеинови киселини.

1. Белтъците представлява най-големия процент от сухото клетъчно вещество - 40-80%. Към тях се отнасят простите белтъци (протеини) и по-сложно организираните протеиди. Протеините съставляват 20-40% от белтъчния състав и по аминокиселинно съдържание не се различават съществено от това при еукариотните клетки. Протеидите могат да съставляват до 80% от белтъчната компонента на микробното сухо вещество. Към тези сложни белтъци се отнасят гликопротеиди, липопротеиди, хромопротеиди, както и нуклеопротеидите, които са най-силно застъпени. Аминокиселинният състав на протеидите зависи от вида на микроорганизма и условията, при които той се култивира.

Отделните бактериални видове притежават специфичен за тях белтъчен състав, който опредял и основните им физиологични характеристики - антигенен строеж, патогенност и вирулентност, биохимична производителност и токсичност. По тези характеристики отделните бактерии могат да бъдат идентифицирани и да се изработи специфична профилактика срещу тях.

2. Въглехидратите съставляват 11-27% от сухата клетъчна маса и са представени от полизахариди, от по-малки въглехидратни молекули (моно-, ди и олигозахариди) и поливалентни алкохоли. Част от полизахаридите под формата на гранули от гликоген и нишесте служат като резервни хранителни вещества. Друга част влизат в състава и са важен структурен елемент на съединения от клетъчната стена - пептидогликан, липополизахариди, гликолипиди. Полизахаридите играят, също така, роля на антигени при редица Грам-положителни и Грам-отрицателни бактериални видове - салмонели, коли бактерии, стрептококи, пневмококи и др. Те са структурни елементи в капсулите и капсулуподобни образувания при множество бактерии - пневмококи (St. pneumoniae), менингококи (Neisseria meningitidis), хемофилни бактерии (Haemophilus influenzae) и др. Липополизахаридите са компоненти от външната мембрана на Грам-отрицателните бактерии. Освен имуногенни свойства, полизахаридите на микробите служат за прикрепянето им към клетките на макроорганизма и ги предпазват от действието на някои от механизмите на неспецифичния имунен отговор.

3. Липидите са важен граднивен елемент в химичния състав на микроорганизмите и са представени от свободни мастни киселини, неутрални масти и липоиди. Те са основен компонент в структурата на клетъчните обвивки и обикновено влизат в съединения с други макромолекули - гликолипиди, липопротеиди. Липидната съставка на липополизахаридите от външната мембрана на Грам-отрицателните бактерии определя ендотоксичния им характер. В някои микроорганизми липидите са форма на складиране на хранителни вещества. Процентното съдържание на липиди в микробните клетки е различно при отделите видове и може да варира от 2-40% от сухото тегло. Микробните видове, които натрупват липиди като резерв, съдържат най-виско процент на мастите в сухото си клетъчно вещество.

Липоидите включват фосфолипиди, восъци и восакоидни вещества. Клетъчните мембрани са изградени предимно от фосфолипидни молекули. Восъците и восакоподобните субстанции се съдържат в голямо количество в микобактериите и заедно с останалите липиди определят киселинната им устойчивост.

4. Нуклеиновите киселини в микробната клетка - ДНК и РНК, са носители на наследствената й информация и в тях са заложени гени, регулиращи протичането на всички жизнени процеси. Бактериалните клетки и гъбите съдържат и двете нуклеинови киселини, като процентното съдържание на ДНК от сухата им маса е 3-4%, а това на РНК е 10-20%. За разлика от тях, вирусите и бактериофагите могат да съдържат само една от двете киселини. РНК при бактериите и гъбите е представена от свободна форма иРНК и тРНК, както и в свързано състояние - рибозомните нуклеопротеиди. Количеството на отделните нуклеинови киселини варира в зависимост от микробния вид, физиологичното състояние на клетката, както и условията, при които се култивират микроорганизмите.