Физиология и особенности метаболизма бактерий

Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микробных клеток, процессы их питания, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой.

 

I. Химический состав клетки:

1. Вода — основной компонент бактериальной клетки, составляющий около 70 - 90 % ее массы. Она находится в свободном или связанном состоянии со структурными элементами клетки. Вода является растворителем для многих веществ, а также выполняет механическую роль в обеспечении тургора. Удаление воды из клетки, высушивание приостанавливают процессы метаболизма. Большинство микроорганизмов хорошо переносят высушивание. При недостатке воды они не размножаются. Высушивание в вакууме из замороженного состояния (лиофилизация) прекращает размножение и способствует длительному сохранению микробных особей.

2. Белки определяют важнейшие биологические свойства бактерий. Большая часть белков обладает ферментативной активностью. Белки бактериальной клетки обусловливают антигенность и иммуногенность, вирулентность, видовую принадлежность бактерий.

3. Нуклеиновые кислоты бактерий выполняют функции: молекула ДНК в виде хромосомы отвечает за наследственность, рибонуклеиновые кислоты участвуют в биосинтезе белка.

4.   Углеводы бактерий представлены простыми веществами (моно- и дисахариды) и комплексными соединениями. Полисахариды часто входят в состав капсул. Некоторые внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.) являются запасными питательными веществами.

5. Липиды в основном входят в состав цитоплазматической мембраны и ее производных, а также клеточной стенки бактерий, например наружной мембраны, где, кроме бимолекулярного слоя липидов, имеется ЛПС. Липиды могут выполнять в цитоплазме роль запасных питательных веществ. Липиды бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицеридами. Наибольшее количество липидов (до 40 %) содержат микобактерии туберкулеза.

6. Минеральные вещества в большом количестве выявляются фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний, а также микроэлементы (цинк, медь, кобальт, барий, марганец и др.).

Обязательные макроэлементы, обеспечивающие жизнедеятельность микробной клетки:

· C, O₂, H, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe.

Они участвуют в регуляции осмотического давления, рН среды, окислительно-восстановительного потенциала, активируют ферменты, входят в состав ферментов, витаминов и структурных компонентов микробной клетки.

Химический состав может претерпевать изменения как количественные, так и качественные, в зависимости от условий внешней среды.

Физиология изучает:

ü Способы питания

ü Виды дыхания

ü Рост и размножение

ü Синтез и секрецию продуктов жизнедеятельности

 

II. Питание бактерий

Особенности питания бактериальной клетки состоят в поступлении питательных субстратов внутрь через всю ее поверхность, а также в высокой скорости процессов метаболизма и адаптации к меняющимся условиям окружающей среды.

Широкому распространению бактерий способствует разнообразие типов питания. Микроорганизмы нуждаются в углероде, азоте, кислороде, водороде и других элементах.

Водород + Кислород = Н₂О

Источники углерода.

· автотрофы, к которым принадлежат организмы, способные синтезировать все компоненты клетки из углекислоты (автотрофными бактериями являются нитрифицирующие бактерии, находящиеся в почве; серобактерии, обитающие в воде с сероводородом; железобактерии, живущие в воде с закисным железом, и др.)

· гетеротрофы, для которых источником углерода служат готовые органические соединения.

¨ Сапрофиты - гетеротрофы, утилизирующие органические остатки отмерших организмов в окружаю-щей среде.Термин «сапрофиты» происходит от греческих слов sapros - гнилой и phyton - растение.

Сапрофиты используют продукты жизнедеятельности других организмов или разлагающиеся растительные и животные ткани. К сапрофитам относится большая часть бактерий.

¨ Облигатные внутриклеточные паразиты (от греч. parasitos нахлебник), то есть организмы, которые могут жить только внутри других живых клеток, например, риккетсии, вирусы и некоторые простейшие, т.о. патогенные бактерии, грибы и простейшие – это гетеротрофы, паразиты.

¨ Факультативные паразиты (или условно-патогенные) - формы прокариот, способные расти при создании подходящих условий вне клетки хозяина.

Источники   азота.

· Аминоавтотрофы – источник азота: неорганический азот (азот атмосферы, минеральные соединения)

· Аминогетеротрофы – источник азота: органический азот (аминокислоты, витамины)

Механизмы питания бактерий

1. Наиболее простой механизм поступления веществ в клетку - простая (пассивная) диффузия, при которой перемещение веществ происходит вследствие разницы их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Когда концентрация веществ по ту и другую сторону уравнивается, то диффузия прекращается. Скорость зависит от величины градиента, но она имеет предел. Пассивная диффузия осуществляется без затраты энергии по градиенту концентрации. Характерно отсутствие субстратной специфичности. Вещества проходят через липидную часть цитоплазматической мембраны: вода, мелкие молекулы.

2. Облегченная диффузия  этот процесс осуществляется с помощью молекул-переносчиков, локализующихся в цитоплазматической мембране и обладающих специфичностью. Каждый переносчик транспортирует через мембрану соответствующее вещество. Белками-переносчиками могут быть пермеазы, место синтеза которых - цитоплазматическая мембрана. Облегченная диффузия протекает без затраты энергии по градиенту концентрации (вещества перемещаются из области с более высокой концентрацией в область с более низкой).

3. Активный транспорт происходит с помощью связывающих белков и направлен на перенос веществ меньшей концентрации в сторону большей, то есть против градиента концентрации, поэтому данный процесс сопровождается затратами энергии (АТФ). Связывают и переносят аминокислоты, углеводы, неорганические ионы.

 

III. Дыхание бактерий

Дыхание, или биологическое окисление, основано на окислительно-восстановительных реакциях.

ü Аэробное дыхание – окисление веществ происходит за счёт кислорода. При аэробном дыхании происходит полное окисление веществ до углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии.

 

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 688ккал

 

ü Анаэробное дыхание – окисление веществ происходит за счёт ферментов. При аэробном дыхании происходит неполное окисление веществ с выделением небольшого количества энергии

 

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 31 ккал

 

По типу дыхания бактерии делятся на:

v Облигатные аэробы - это прокариоты, для роста которых необходим свободный кислород (не менее 21%). К ним относится большинство организмов (нейссерии, синегнойная палочка).

v Облигатные анаэробы  растут только без кислорода, который для них токсичен. (клостридии ботулизма, газовой гангрены, столбняка)

v Факультативные анаэробы могут расти как при наличии, так и при отсутствии кислорода, поскольку они способны переключаться с дыхания в присутствии молекулярного кислорода на брожение в его отсутствие (палочка брюшного тифа, дрожжи, сибиреязвенные бактерии)

v Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации свободного кислорода (до 10%) – стрептококки, актиномицеты, хеликобактер пилори

v Капнофилы – нуждаются в избыточном количестве СО₂ (бруцеллы)

IV. Ферменты бактерий

Ферменты распознают соответствующие субстраты, вступают с ними во взаимодействие и ускоряют химические реакции. Являются белками, участвуют в процессах анаболизма (синтеза) и катаболизма (распада), то есть метаболизма (обмен веществ).

эндоферменты катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки.

  экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду, расщепляя макромолекулы питательных субстратов до простых соединений.

Различают конститутивные и индуцибельные ферменты.

Конститутивные (постоянные) ферменты синтезируются клеткой непрерывно, вне зависимости от наличия субстратов в питательной среде.

Индуцибельные (адаптивные) ферменты синтезируются только при наличии в среде субстрата данного фермента.

6 классов ферментов:

Ø оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные ферменты (к ним относятся дегидрогеназы, оксидазы и др.);

Ø трансферазы, переносящие отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим;

Ø гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза, то есть расщепления веществ на более простые с присоединением молекул воды (эстеразы, фосфатазы, глюкозидазы и др.);

Ø лиазы, отщепляющие от субстратов химические группы негидролитическим путем (карбоксилазы и др.);

Ø изомеразы, превращающие органические соединения в их изомеры (фосфогексоизомераза и др.);

Ø лигазы, или синтетазы, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых (аспарагинсинтетаза, глютаминсинтетаза и др.).

Некоторые ферменты (так называемые ферменты агрессии) разрушают ткань и клетки, обусловливая широкое распространение в инфицированной ткани микроорганизмов и их токсинов. К таким ферментам относят:

¨ гиалуронидаза,

¨ коллагеназа,

¨ дезоксирибонуклеаза,

¨  нейраминидазу,

¨  лецитиназа.

Так, гиалуронидаза стрептококков, расщепляя гиалуроновую кислоту соединительной ткани, способствует распространению стрептококков и их токсинов.

 

V. Гемолитические свойства

В результате жизнедеятельности микроорганизмы выделяют экзотоксины (гемолизины), которые вызывают лизис эритроцитов.

Гемолиз – разрушение эритроцитов с выделением в окружающую среду гемоглобина (расщепление гемоглобина)

Определяют на питательных средах, содержащих кровь или эритроциты:

Ø Альфа-гемолиз – неполное расщепление гемоглобина и других компонентов (среда зеленеет в месте роста колоний – гемоглобин превращается в метгемоглобин).

Ø Бета-гемолиз – полное расщепление гемоглобина (среда обесцвечивается в зоне роста), характерно для многих видов стафилококка, стрептококка группы А и В, листерий, клостридии.

Ø Гамма – гемолиз – обозначение отсутствия гемолиза (цвет кровяного агара не изменяется).

Тип гемолиза может меняться под действием факторов окружающей среды. Например, пневмококк на кровяном агаре образует альфа-гемолиз, но при попадании в живой организм может поменять альфа-гемолиз на бета-гемолиз в случае применения антибактериальной терапии. Что говорит об изменчивости пневмококка и увеличении агрессивных свойств, связанных с защитной реакцией микроорганизма.

 

 

VI. Рост и размножение

Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом - формированием структурно-функциональных компонентов клетки и увеличением самой бактериальной клетки, а также размножением - самовоспроизведением, приводящим к увеличению количества бактериальных клеток в популяции.

Основной способ размножения – поперечным делением.

Скорость деления в среднем 1 раз в 30 минут.

Фазы роста:

1. Лаг-фаза (от англ. lag - запаздывание) - период между посевом бактерий и началом размножения. Продолжительность лаг-фазы в среднем 4 - 5 ч. Бактерии при этом увеличиваются в размерах и готовятся к делению.

2. Фаза логарифмического (экспоненциального) роста является периодом интенсивного деления бактерий. Продолжительность ее около 5 - 6 ч. При оптимальных условиях роста бактерии могут делиться каждые 20 - 40 мин.

3. Фаза стационарного роста - скорость размножения бактерий уменьшается, количество жизнеспособных клеток остается без изменений.. В стационарной фазе наступает период некоторого равновесия - количество вновь образующихся клеток становится сопоставимым с числом погибающих клеток.

4. Фаза отмирания, характеризующаяся отмиранием бактерий в условиях истощения источников питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий. Продолжительность ее колеблется от 10 ч до нескольких недель.

 

 

Медицинская микробиология. Влияние факторов окружающей среды на микроорганизмы.

Жизнь микроорганизмов в природе протекает в непрерывном взаимодействии с внешней средой, факторы которой оказывают то или иное действие на их жизнедеятельность.

Действие может быть:

Ø Бактериостатическим – задержка роста микроорганизмов

Ø Бактерицидным – полная гибель микроорганизмов