Физиология микроорганизмов часть 1

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