Физиология микроорганизмов часть 1
I. Типы питания бактерий
Поскольку основными компонентами бактерий являются органические соединения, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды, остов, которых построен из атомов углерода, для их роста нужен постоянный приток атомов углерода!!!
По усвоению углерода бактерии можно разделить на два типа:
- АУТОТРОФЫ - способны получать углерод из неорганических соединений и даже из углекислоты. К аутотрофным бактериям относятся нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии
- ГЕТЕРОТРОФЫ - используют в качестве источника углерода органические соединения. Универсальным источником углерода служат различные углеводы-гексозы (их часто добавляют в питательные среды), аминокислоты, многоатомные спирты.
Степень гетеротрофности у различных бактерий неодинакова!!!
Среди них выделяют:
- сапрофиты, питающиеся мертвым органическим материалом и независимы от других организмов
- паразиты - гетеротрофные микроорганизмы, зависимые в получении питательных веществ от макроорганизма
По способности усваивать азот бактерии делятся также на две группы:
- АМИНОАУТОТРОФЫ -используют молекулярный азот воздуха. Пример: к ним относятся азотфиксирующие почвенные и клубеньковые бактерии
- АМИНОГЕТЕРОТРОФЫ - получают азот из органических соединений — сложных белков. Пример: все патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитов.
По источникам энергии различают:
- ФОТОТРОФЫ — бактерии, для которых источником энергии является солнечный свет
- ХЕМОТРОФЫ — бактерии, которые получают энергию за счет химического окисления веществ (ОВР р-ии)
Среди хемотрофов выделяют литотрофы, способные использовать неорганические доноры электронов (H2, NH3, H2S), и органотрофы, которые используют в качестве доноров электронов органические соединения
ПРИМЕР:
- фотоаутотрофы - цианобактерии, пурпурные бактерии
- фотогетеротрофы - галобактерии
- хемолитогетеротрофы - метановые, сульфатредуцирующие бактерии
- хемолитоаутотрофы - железобактерии, метановыебыктерии
- хемоорганогетеротрофы - большинство прокариот
- хемоорганоаутотрофы - сульфатредукторы
II. Механизмы питания бактерий:
а) Транспорт веществ в клетку
Для того чтобы питательные вещества могли попасть в клетку, они должны проникнуть в клетку через цитоплазматическую мембрану.
Существует 2 типа переноса веществ в бактериальную клетку:
1) Пассивный - вещество проникает в клетку только по градиенту концентрации, без затрат Е
- Простая диффузия - неспецифическое проникновение веществ в клетку, при этом решающее значение имеет величина молекул и липофильность.
- Облегченная диффузия - осуществляется особыми белками - переносчиками
Скорость этого способа переноса зависит от концентрации вещества в наружном слое
Так как перемещение вещества происходит от более высокой концентрации к более низкой, этот процесс протекает без затраты энергии!!!
2) Активный - вещество проникает в клетку против градиента концентрации при помощи белка-переносчика - пермеазы, при этом происходят затраты Е.
Имеется 2 типа активного транспорта:
1 ТИП: небольшие молекулы (аминокислоты, некоторые сахара) закачиваются в клетку и создают концентрацию, которая может в 100-1000 раз превышать концентрацию этого снаружи клетки.
2 ТИП: транслокация радикалов, обеспечивает включение в клетку некоторых сахаров (глюкозы, фруктозы), которые в процессе переноса фосфорилируются, т.е. химически модифицируются.
Поступив в клетку, органический источник углерода и энергии вступает в цепь биохимических реакций, в результате которых образуется АТФ и ингредиенты для биосинтетических процессов. Биосинтетические (конструктивные) и энергетические процессы протекают в клетке одновременно!!! Они тесно связаны между собой через общие промежуточные продукты, которые называются амфиболитами!
б) Транспорт веществ из клетки
Выделение молекул из клетки осуществляется с помощью:
1. Прямой транспорт – через мембрану перемещается белок предшественник, который состоит из выделяемого вещества и сигнального пептида. На поверхности мембраны пептид пептидазами отрезается, выделяемое вещество удаляется, а пептид возвращается в клетку.
2. Сигнальный транспорт – сигнальный пептид взаимодействует с рецепторами цитоплазматической мембраны, образуются канальцы, по которым выделяются вещества.
Пример: фосфотрансферазный путь
Фосфотрансферазный путь широко используется при выведении молекул, необходимых для построения различных структур бактерий, расположенных кнаружи от цитоплазматической мембраны. Некоторые из стадий подобного транспорта подавляются антибиотиками.
Пример: транспорт через мембрану N-ацетилглюкозамина — компонента пептидогликана, блокируется гликопептидным антибиотиком ванкомицином.
Транспорт веществ из бактериальной клетки
- У грамположительных бактерий белки секретируются во внешнюю среду
- У грамотрицательных бактерий должны пересечь наружную мембрану
Наличие наружной мембраны привело к формированию у грамотрицательных бактерий различных по структуре и функциям шести (шестой подробно не разбираем) типов секреции. Все они протекают с поглощением энергии.
- II тип основной для секреции внеклеточных гидролитических ферментов (по этому же пути выделяется холерный токсин)
- III путь - транспорт из клетки компонентов жгутиков, направленная доставка в клетку эукариот бактериальных белков → возникновение у человека заболеваний
- IV тип - обеспечивает транспорт белка, ДНК и нуклеопротеинов через клеточную стенку у грамотрицательных и грамположительных бактерий: является заметным фактором в развитии бактериального разнообразия, ответственен за горизонтальную передачу резистентности к антимикробным препаратам и факторов патогенности.
III. Ферменты бактерий
Ферменты бактерий – специфические белки, катализирующие химические реакции. Они вызывают перераспределение e– плотностей и некоторую деформацию молекулы субстрата, что приводит к ослаблению внутримолекулярных связей, снижается энергия активации и ускоряется реакция
Классификация ферментов:
1.По типу катализируемой реакции
6 классов:
- оксиредуктазы,
- трансферазы,
- гидролазы - большинство экзоферменты - расщепляют крупные молекулы пептидов, полисахаридов, липидов до мономеров и димеров, способных проникнуть внутрь бактерии (покушать и тд)
- лигазы,
- лиазы,
- изомеразы
2.По локализации:
- эндоферменты – катализируют реакции внутри клетки.
- экзоферменты – выделяются из бактериальной клетки, катализируют расщепление (для обеспечения бактерий углеродом и энергией извне)
а) пищеварительные ферменты-которые расщепляют сложные питательные вещества до простых веществ;
б) защитные ферменты-пенициллиназа защищает клеточную стенку от действия антибиотика пенициллина;
в) ферменты агрессии – гиалуронидаза, коллагеназа - способствуют проникновению и распространению
3. По зависимости от генетического контроля:
- конститутивные – имеются в течение всех жизни
- индуцибильные – образуются в ответ на наличие субстрата
4.По субстрату:
- протеолитические – расщепляют белки
- сахаролитические – расщепляют углеводы
- липолитические – расщепляющие жиры
IV. Биохимические тесты в бактериологии. Примеры.
Существует множество биохимических тестов для идентификации бактерий, но на практике пользуются лишь некоторыми из них
Тесты на выявление способности ферментировать углеводы:
- Основаны на изменения цвета индикатора в среде при изменении pH среды в результате образования различных органических кислот как продуктов ферментации сахаров
- Пёстрый ряд: несколько сред с пептонной водой, индикатором и различными сахарами; меняют цвет те пробирки, где бактерии расщепляют углевод. Недостатки — большой расход сред, трудоемко, сложная интерпретация (каждый тест оцениваем вручную с помощью таблиц)
- Следующий этап — СИБы (системы индикаторные бумажные), когда субстрат находится на диске. Недостатки — то же, только менее трудоемко (не надо готовить разные среды, не надо взвешивать компоненты в граммах)
- Панели биохимической идентификации — готовое решение для лаборатории. Все как в пробирках, только в лунках планшетах. Плюс — есть готовые панели промышленного приготовления (экономия времени)
- Автоматизированные системы (панель с возможностью автоматизации, когда результат видим на экране монитора). Самая дорогая технология из всей б/х идентификации!
V. Источники основных питательных веществ у бактерий
В питательной среде должны находиться в достаточном количестве все элементы, из которых состоит или которые содержатся в клетке. Причем эти элементы должны находиться в усваиваемой микроорганизмом форме.
1) Вода
Основной компонент клетки, все процессы жизнедеятельности происходят в воде
Поступает из окружающей среды при голофитном типе питания (тип питания, при котором питательные вещества поступают в клетку только в растворенном виде)
2) Углерод
Затем есть несколько вариантов развития событий:
- Молочнокислое брожение (образуется молочная кислота) — лактобациллы, стрептококки
- Спиртовое брожение (ацетальдегид восстанавливается в этиловый спирт) — сахаромицеты
- Маслянокислое брожение (образуется ацетат, связанный с КоА) — клостридии
- Пентозофосфатный цикл с укорочением цепи углевода
- При аэробный условиях запускается цикл трикарбоновых кислот (образуется ацетил-КоА)
Автотрофный метаболизм осуществляется путем фотосинтеза (фототрофы) и хемосинтеза (хемотрофы). Среди хемотрофов выделяют литотрофы (используют неорганические доноры электронов) и органотрофы (используют органические доноры электронов). Медицинская микробиология изучает гетерохемоорганотрофов (углерод — источник энергии).
Исходя из этого можно выделить следующие группы бактерий:
- Облигатные (строгие) аэробы
- Микроаэрофилы
- Факультативные анаэробы
- Облигатные (строгие) анаэробы
- Аэротолерантные (растут в присутствии кислорода но не используют его в метаболизме)
Все гетеротрофы делятся на две группы сапрофиты и паразиты
- Сапрофиты питаются мертвым органическим материалом и независимы от других организмов. К ним относятся гнилостные бактерии, мицелиальные грибы, актиномицеты, дрожжи, бактерии-возбудители процессов брожения и др.
- Паразиты — гетеротрофные микроорганизмы, зависимые в получении питательных веществ от макроорганизма (облигатные и факультативные)
3) Азот
Важнейший элемент для синтеза белковых веществ клетки!
Большинство микроорганизмов могут употреблять азот в органической и минеральной формах:
- Один из способов усвоения азота — усваивать молекулярный азот атмосферы (азотфиксирующие бактерии)
- Существуют микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые органические соединения из глюкозы и солей аммония — прототрофы;
- Ауксотрофы не имеют такой возможности — они ассимилируют эти соединения в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина.
Многие микроорганизмы, особенно бактерии, нуждаются в тех или иных аминокислотах (одной или нескольких), поскольку не могут их самостоятельно синтезировать: клостридии нуждаются в лейцине, тирозине; стрептококки – в лейцине, аргинине и др.
Белки, являющиеся высокомолекулярными соединениями, не проникают в микробную клетку, поэтому использовать их могут только микроорганизмы, выделяющие в окружающую среду протеолитические ферменты, расщепляющие белки до аминокислот. Аминокислоты проникают в клетку и используются ею в метаболизме.
Пуриновые и пиримидиновые основания и их производные (аденин, гуанин, цитозин, урацил, тимин и др.) являются факторами роста для разных видов стрептококков, некоторые азотистые основания нужны для роста стафилококков и других бактерий.
В нуклеотидах нуждаются некоторые виды микоплазм.
4. Сера
Большинство микроорганизмов использует минеральные источники серы - сульфаты, сульфиды и тиосульфаты, а также содержащие серу органические соединения
На этом все (:
Не забудь сохранить эту страничку на будущее