Глава 4. Биологические объекты-продуценты (микроорганизмы), используемые в биотехнологическом производстве лекарственных средств

4.1. Понятие о микроорганизмах

«Микроорганизмы», «микробы» — собирательное название живых организмов, которые слишком малы для того, чтобы быть видимыми невооруженным глазом. Несмотря на малые размеры, микроорганизмы являются сложными существами. Особенность микроорганизмов заключается в способности к быстрому размножению. Это связано с быстрым обменом веществ, который осуществляется всей клеточной поверхностью микроорганизма, т.е. отношение поверхности клетки к ее объему очень большое. Для маленьких микроорганизмов это отношение равно 12 млн ×10^–1 (для сравнения: у человека весом 90 кг это отношение составляет 30×10^–1). В благоприятных условиях роста на протяжении 2–4 суток с каждой микробной клетки может образоваться 10¹⁰ т биомассы.

Классификация микроорганизмов

Мир микроорганизмов очень разнообразен. Он состоит из множества групп, видов и родов. Выделяют одноклеточные и многоклеточные микроорганизмы клеточного происхождения. Все микро­организмы можно разделить на две группы — эукариоты и прокариоты (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Строение клеток эукариот и прокариот

Эукариоты имеют четко выраженное ядро, содержащее набор хромосом, в которых распределяется несущая генетическую информацию ДНК. Прокариоты имеют простейшую структуру и не имеют четко выраженного ядра. Его функцию выполняет нуклеотид, не имеющий мембраны и содержащий только одно- или двухцепочечные молекулы ДНК.

По форме микроорганизмы, например бактерии, разделяют на три группы: сферические, палочковидные и извитые (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Классификация микроорганизмов (бактерий) по форме

К сферическим, или кокковым, микроорганизмам относятся стрептококки и стафилококки, а также монококки, диплококки, тетракокки, сарцины.

Они отличаются особенностями деления. У стрептококков деление клеток происходит в одной плоскости, при этом клетки остаются соединенными в виде цепей. У стафилококков деление происходит в разных плоскостях с образованием агломератов, напоминающих гроздья винограда.

К палочковидным микроорганизмам относятся в большинстве случаев бактерии, например кишечная палочка (Escherichia coli, E. coli).

Извитые формы бактерий — вибрионы, спириллы и спирохеты. Один виток, который напоминает запятую, имеет холерный вибрион. Спирохеты представляют тонкие длинные извитые бактерии, отличающиеся от спирилл более мелкими завитками и характером движения.

Строение микроорганизмов (бактерий)

Бактерии относятся к прокариотам и существенно отличаются от клеток растений и животных (эукариотов). Эти одноклеточные организмы состоят из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы, нуклеоида (обязательные компоненты бактериальной клетки). Некоторые бактерии могут иметь жгутики, капсулы, споры (необязательные компоненты бактериальной клетки).

Размер микроорганизмов (бактерий)

Размер бактерий измеряют в микрометрах (1 мкм=10^–6 м). В 1 мл речной воды содержится несколько миллионов клеток микроорга­низмов.

Химические составляющие микроорганизмов (бактерий)

Все микроорганизмы состоят на 75–85% из воды. Вода — очень важная составляющая в жизни микроорганизмов. Клетки микроорганизмов должны иметь достаточное количество воды и находиться в водной среде с питательными веществами. Сухие вещества не транспортируются в клетку микроорганизма. Если количество воды в клетке уменьшается, она обезвоживается и наступает состояние анабиоза. Клетка микроорганизма на 15–25% состоит из сухих веществ — это органические и минеральные вещества (зольные элементы). К органическим веществам относят белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, а также липиды (жиры).

В клетке микроорганизмов встречаются простые и сложные белки. Простые называют протеинами, сложные — протеидами. Протеиды — это комплексы протеинов. Комплексы протеинов с нуклеиновыми кислотами — нуклеопротеиды, комплексы протеинов с углеводами — гликопротеиды, комплексы протеинов с липидами — липо­протеиды.

Нуклеиновые кислоты выполняют важную роль в клетке микроорганизмов, потому что они несут генетическую информацию. Выделяют два вида нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Углеводы в клетке микроорганизмов выполняют функцию энергетического и строительного материала. Липиды распределяются в клетке неравномерно, в основном они содержатся в оболочке и в поверхностных слоях цитоплазмы.

Основные элементы, составляющие клетку микроорганизма, — C, H, O, N, P, S. Все микробные клетки содержат также макроэлементы (K, Na, Ca, Mg, Fe) и микроэлементы (Zn, Cu, Co, Mo, Mn).

Обмен веществ и питание микроорганизмов (бактерий)

Микроорганизмы, несмотря на малые размеры, способны потреблять большое количество питательных веществ. Одна микробная (бактериальная) клетка может употребить количество питательных веществ, в 30–40 раз превосходящее ее собственный вес. Это связано с тем, что обмен веществ осуществляется всей поверхностью микробной клетки.

Обмен веществ (метаболизм) состоит из суммы целенаправленных реакций. В основном следует отметить два процесса.

• Получение клеткой питательных веществ из окружающей среды и их усваивание.
• Выделение конечных продуктов в окружающую среду.

Метаболизм — это сумма последовательных реакций, при которых продукты реакции первой стадии выступают субстратами для последующей стадии. Чтобы функционировать, микробная клетка должна получать из окружающей среды все необходимые элементы, в частности те, из которых она состоит. Если не будет достаточно хотя бы одного элемента, успешного развития микробной клетки не будет. Самый необходимый элемент — углерод (С), который входит в состав белков, аминокислот, липидов, углеводов. Другой необходимый элемент — это азот (N), он входит в состав белков и нуклеиновых кислот.