Ферменты и их роль в жизнедеятельности бактерий

Ферменты (энзимы) – специфические белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. У бактерий обнаружены ферменты 6 основных классов.

1. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции.

2. Трансферазы – осуществляют реакции переноса групп атомов.

3. Гидролазы – осуществляют гидролитическое расщепление различных соединений.

4. Лиазы – катализируют реакции отщепления от субстрата химической группы негидролитическим путем с образованием двойной связи или присоединения химической группы к двойным связям.

5. Лигазы или синтетазы – обеспечивают соединение двух молекул, сопряженное с расщеплением пирофосфатной связи в молекуле АТФ или аналогичного трифосфата.

6. Изомеразы – определяют пространственное расположение групп элементов.

По строению выделяют:

а) простые ферменты (белки);

б) сложные; состоят из белковой (активного центра) и небелковой частей; необходимы для активизации ферментов.

В соответствии с механизмами генетического контроля у бактерий различают также:

а) конститутивные ферменты (синтезируются постоянно независимо от наличия субстрата);

б) индуцибельные ферменты (синтезируются только в присутствии субстрата);

в) адаптивные ферменты (образуются только при определённых условиях).

Набор ферментов в клетке строго индивидуален для вида. Способность микроорганизма утилизировать субстраты за счет своего набора ферментов определяет его биохимические свойства, что используется для дифференциации микроорганизмов. В соответствии с этим существует микробиологическая (рабочая) классификация ферментов:

1. Сахаролитические ферменты катализируют расщепление углеводов.

2. Протеолитические ферменты катализируют расщепление белков.

3. Аутолитические ферменты. Аутолиз – это саморастворение живых клеток и тканей под действием их собственных гидролитических ферментов, разрушающих структурные молекулы. Автолиз микроорганизмов происходит при старении микробной культуры или повреждении клеток различными агентами.

4. Окислительно – восстановительные ферменты катализируют окислительно – восстановительные реакции.

5. Липолитические ферменты катализируют расщепление жиров.

6. Ферменты патогенности (вирулентности). Основные ферменты вирулентности – гиалуронидаза, плазмокоагулаза, лецитиназа, нейраминидаза, ДНК-аза, фибринолизин. Определение ферментов патогенности имеет значение при идентификации ряда микроорганизмов и выявления их роли в патологии.

По месту действия ферментов различают экзоферменты и эндоферменты.

Экзоферменты действуют вне клетки; принимают участие в процессе распада крупных молекул, которые не могут проникнуть внутрь бактериальной клетки; характерны для грамположительных бактерий.

Экзоферменты играют большую роль в обеспечении бактериальной клетки доступными для проникновения внутрь источниками углерода и энергии. Большинство гидролаз является экзоферментами, которые, выделяясь в окружающую среду, расщепляют крупные молекулы пептидов, полисахаридов, липидов до мономеров и димеров, способных проникнуть внутрь клетки.

Ряд экзоферментов являются ферментами агрессии. Наличие экзоферментов можно определить при помощи дифференциально-диагностических сред, поэтому для идентификации бактерий разработаны специальные тест-системы, состоящие из набора дифференциально-диагностических сред.

Эндоферменты действуют в самой клетке, обеспечивают синтез и распад различных веществ.

 

Токсины бактерий

Токсины – это микробные яды, которые вырабатываются патогенными бактериями. По биологическим свойствам токсины делятся на две группы: эндотоксины и эндотоксины.

Эндотоксины по своей химической структуре являются липополисахаридами, которые содержатся в клеточной стенке грамотрицательных бактерий и выделяются в окружающую среду при лизисе бактерий. Эндотоксины не обладают специфичностью, термостабильны, менее токсичны, обладают слабой иммуногенностью. При поступлении в организм больших доз эндотоксины угнетают фагоцитоз, гранулоцитоз, моноцитоз, увеличивают проницаемость капилляров, оказывают разрушающее действие на клетки.

Эндотоксины стимулируют синтез интерферонов, активируют систему комплемента по классическому пути, обладают аллергическими свойствами. При введении небольших доз эндотоксина повышается резистентность организма, усиливается фагоцитоз, стимулируются В-лимфоциты.

Экзотоксины – белковые токсины. Онивырабатываются как грамположительными, так и грамотрицательными бактериями. По своей химической структуре это белки. По механизму действия экзотоксина на клетку различают несколько типов:

­ мембранотоксины - гемолизины, лейкоцидины;

­ функциональные блокаторы, или нейротоксины (тетаноспазмин, ботулинический токсин). Они блокируют передачу нервных импульсов в синапсах (в клетках спинного и головного мозга);

­ термостабильные и термолабильные энтеротоксины - они активизируют клеточную аденилатциклазу, что приводит к нарушению энтеросорбции и развитию диарейного синдрома. Такие токсины продуцируют холерный вибрион (холероген), энтеротоксигенные кишечные палочки;

­ цитотоксины – это токсины, блокирующие синтез белка субклеточном уровне: энтеротоксин золотистых стафилококков, дерматонекротоксины стафилококков, палочек сибирской язвы, сине-зеленого гноя и возбудителя коклюша, а также антиэлонгаторы (препятствуют элонгации (наращиванию) или транслокации, т. е. передвижению и-РНК вдоль рибосомы, и тем самым блокируют синтез белка; К ним относятся дифтерийный гистотоксин, токсин синегнойной палочки;

­ эксфолиатины, образуемые некоторыми штаммами золотистого стафилококка, и эритрогенины, продуцируемые пиогенным стрептококком группы А; влияют на процесс взаимодействия клеток между собой и с межклеточными веществами, и полностью определяют клиническую картину инфекции; в первом случае возникает пузырчатка новорожденных, во втором - скарлатина.

Механизм действия белковых токсинов сводится к повреждению жизненно важных процессов в клетке: повышение проницаемости мембран, блокады синтеза белка и других биохимических процессов в клетке или нарушении взаимодействия и взаимокоординации между клетками. Экзотоксины являются сильными антигенами, которые и индуцируют образование в организме антитоксинов.

По степени связи с бактериальной клеткой экзотоксины делятся условно на три класса:

­ класс А – токсины, секретируемые во внешнюю среду;

­ класс В – токсины частично секретируемые и частично связанные с микробной клеткой;

­ класс С – токсины, связанные и с микробной клеткой и попадающие в окружающую среду при разрушении клетки.

Экзотоксины обладают высокой токсичностью. Под воздействием формалина и температуры экзотоксины утрачивают свою токсичность, но сохраняют иммуногенное свойство. Такие токсины получили название анатоксины и применяются для профилактики заболевания столбняка, гангрены, ботулизма, дифтерии, а также используются в виде антигенов для иммунизации животных с целью получения анатоксических сывороток.

Пигменты бактерий

Некоторые микроорганизмы в процессе обмена веществ образуют красящие вещества – пигменты. По химическому составу и свойствам пигменты неоднородны. Они подразделяются на растворимые в воде (синий пигмент – пиоцианин, выделяемый синегнойной палочкой); растворимые в спирте и нерастворимые в воде (красный пигмент – продигиозан, выделяемый чудесной палочкой); нерастворимые ни в воде, ни в спирте (черный и бурые пигменты дрожжей и плесеней). Нерастворимые в воде пигменты (липохромы) окрашивают колонии бактерий (например, желтый, золотистый, палевый пигменты стафилококков), а растворимые в воде – окрашивают питательную среду (синегнойная палочка).

Пигмент образуется на свету, при комнатной температуре и хорошем доступе кислорода. Пигменты обеспечивают защиту от УФ радиации, участвуют в реакциях синтеза, обладают антибиотическим действием (продигиозан), участвуют в процессе дыхания.

Нередко рост микробов сопровождается появлением запаха, пигментацией среды, выделением газа. Характерный запах культур некоторых видов бактерий связан с образованием различных эфиров (уксусноэтилового, уксусноамилового и др.), индола, меркаптана, сероводорода, скатола, аммиака, масляной кислоты.

По химическому составу пигменты подразделяют на:

­ каратиноидные – имеют красный, оранжевый, желтый цвет; растворяются в жирорастворителях, синтезируются микобактериями, сарцинами и др.; эти пигменты предохраняют микроорганизмы от действия УФ лучей;

­ хиноновые – желтого цвета, их образуют микобактерии туберкулёза;

­ меланиновые – черного или коричневого цвета, они не растворяются в воде и в сильных кислотах;

­ пирроловые пигменты – продигиозин – ярко красного цвета, образуемый серрациями.

­ фенозиновые – пиоционин, который продуцируется Pseudomonas aeruginosa; пигмент растворим в воде, в связи с чем питательная среда, на которой растут эти бактерии, окрашивается в сине-зеленый цвет.  

Образование микроорганизмами пигментов

Цвет колоний определяется образованием пигментов, которые подразделяются на растворимые в воде и спирте (палочка синезеленого гноя) и нерастворимые (азотобактер, черные и бурые пигменты плесени).

Цвет пигмента используется в качестве теста для идентификации пигментообразующих бактерий.

Колонии актиномицетов (A. вovis), микрококков окрашены в розовый цвет, стафилококка – в золотистый (S. aureus), лимонно-желтый (S. citreus) и белый цвет (S. albus), синегнойная палочка (P. aeroginosa) – в сине-зеленый, микобактерии туберкулеза (M. tuberculosis) – в желтый. Некоторые пигменты образуются только на свету (каротиноиды у M. tuberculosis), а некоторые обладают антибиотическими свойствами (P. aeroginosa).