Химический состав бактериальной клетки.

Больше всего в клетке воды - 75-85%, в спорах 50%. Сухоговещества - 15-25%, 80% сух вещества составляют белки - протеины и протеиды, а больше всего нуклеопротеидов.

Углеводы - 12-28% сух вещества в виде полисахаридов (ПС) и липополисахаридов (ЛПС).

Липиды -3,8-40% (у возбудителей туберкулеза, дифтерии). Представлены ЛПС, входят в состав клеточной стенки, мембран, обусловливают устойчивость клетки к механическим повреждениям.

Минеральныевещества - 2-14%. Макроэлементы - натрий+, калий+, хлор-, кальций++, магний++, фосфор, железо. Микроэлементы - цинк, медь, кобальт, барий, марганец и др.

Типы питания микроорганизмов.

Для существования микробов им необходимы источники жизнедеятельности.

· Источникэнергии. По типу источника энергии микробы подразделяют на:

Фототрофы, способны усваивать энергию солнечного света. Такая способность обусловлена наличием у бактерий и водорослей бактериального хлорофила (БХЛ) (открытие микробиологов МГУ).

Многие виды микробов в качестве источника энергии могут использовать только органические или неорганические вещества. Их обозначают к хемотрофам.

· Вторым источником существования являются донорыэлектронов или окисляемыйсубстрат. По типу подразделяют:

Литотрофы - донор неорганическое соединение.

Органотрофы - донор электронов органические вещества.

· Третий источник существования - источникуглерода. Автотрофные микробы могут использовать в качестве источника углерода СО2, но подавляющее большинство используют углерод из сложных органических соединений - белков, пептонов, аминокислот. Их называют гетеротрофы.

Принимая во внимание источники существования различают 8 типов питания бактерий:

· Фотолитоавтотрофы

· Фотоорганоавтотрофы

· Хемолитоавтотрофы

· Хемоорганоавтотрофы

· Фотолитогетеротрофы

· Фотоорганогетеротрофы

· Хемолитогетеротрофы

· Хемоорганогетеротрофы

Самые распространенные два типа питания: у полезных - фотолитоавтотрофное питание, у возбудителей и сапрофитов - хемоорганогетеротрофное питание.

Хемоорганогетеротрофное питание по источнику азота подразделяют на:

· Метатрофное, когда потребности в азоте удовлетворяются за счет аммиака и аммонийных солей мертвых белков. Микробы, имеющее метатрофное питание, называют сапрофитами.

· Возбудители инфекционных болезней используют белки, аминокислоты живых организмов чтобы извлечь азот. Такое питание называют паратрофное, а микробов, имеющее такое питание - паразитами. К ним относят возбудителей.

У микроорганизмов есть способность в зависимости от условий существования менять тип питания. Известно, что многие возбудители в окружающей среде ведут сапрофитный образ жизни.

Характеристика токсинов.

Токсины - ядовитые соединения, которые образуют патогенные микробы (от греч. toxikon - яд).

Известны токсины, которые выделяются в окружающую среду и содержатся внутри клетки.

Токсины, которые выделяются в окружающую среду, называют экзотоксинами. Возбудителей, продуцирующие экзотоксины, называют токсигенными.

Микробы, содержащие ядовитые соединение в составе структур клеток, называют токсичными, а соединения, входящие в состав структур микроорганизмов - эндотоксинами. Эндотоксины прочно связаны с клеткой и освобождаются только после ее гибели - аутолиза.

По современным данным большая часть эндотоксинов также прочно связаны с клеткой и освобождаются только после аутолиза. Современна классификация токсинов по химической природе.

Токсины:

· Белковые

· ЛПС-токсины

ЛПС-токсины разных возбудителей клинически вызывают однотипную реакцию. От небольших доз ЛПС-токмина повышение температуры тела, диарея. От больших доз - упадок сердечной деятельности, спазм сосудов, может быть коллапс.

Самый сильный ЛПС-токсин содержат сальмонеллы.

Белковые токсины имеют разный механизм действия. Их различают на:

· Нейротоксины, действуют на синапсы и моторные нейроны. Клинически судороги, парезы, параличи.

Нейротоксины продуцируют возбудитель столбняка, ботулизма.

· Гистотоксины (некротокины), вызывают воспаление с омертвлением тканей. Клинически проявляется расплавлением тканей и увеличением площади раны. Сильный гистотоксин имеет синегнойная палочка, золотистый стафилококк, анаэробы.

· Энтеротоксины, вызывают воспаление слизистой тонкого и толстого кишечника. Клинически диарея (понос), токсикоз. Энтеротоксины имеют патогенная кишечная палочка, сальмонеллы, анаэробы.

· Лейкоцидины - ядовитые вещества, разрушающие лейкоциты, нейтрофилы, лимфоциты, от чего снижается сопротивляемость организма и может сформироваться иммунодефицитное состояние (ИДС). Золотистые стафилококк.

· Гемолизин - белок, разрушающий эритроциты. Многие возбудители имеют токсин гемолизин. Очень много гемолизина у возбудителя сибирской язвы, от чего происходит полный гемолиз крови у больных и отек легких.

По биологической активности и ядовитости токсины неодинаковы. Одни из них полностью определяют патогенез (механизм развития инфекционной болезни), другие имеют ограниченное участие в инфекционном процессе.

ДЫХАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Типы дыхания бактерий

Дыхание - биологическое окисление различных органических соединений, мин веществ. В итоге образуется энергия, необходимая для обмена веществ, передвижения и существования. Избыток энергии бактерии накапливают в мезосомах, которые располагаются вблизи ЦПМ.

По типу дыхания бактерии подразделяют на группы:

· Аэробныемикроорганизмы, они имеют аэробное дыхание, которое может быть полным и неполным.

При полном субстрат (глюкоза) окисляется под влиянием О₂: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ à 6СО₂ + 6Н₂О + 2874кДж

Бактерии, имеющие полное аэробное дыхание и активно выделяющие энергию в виде тепла, называют термофильными. Они обитатели почвы, много их в навозе. Они вызывают нагревание влажных субстратов и кормов до обугливания и даже до воспламенения. Термофильные бактерии обитают в теплых минеральных источниках, поддерживая их температуру.

При неполном окислении субстрата происходит образование органических кислот, при этом выделяется в 4-5 раз меньше энергии. Существует много видов микробов,  способных осуществлять неполное аэробное дыхание. Их используют в качестве продуцентов уксусной, лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной кислот. Большое значение имеет получение уксусной кислоты продуцентами уксуснокислыми бактериями, которые окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды и 473кДж энергии. Но возможно и полное аэробное окисление спирта с образованием СО₂ и Н₂О и 1400кДж энергии.

· Анаэробноедыхание - без доступа молекулярного О₂. Различают:

Собственно анаэробное дыхание, когда акцептором кислорода являются нитраты или сульфалы, а субстратом

Если при участии акцептора нитрата, то оно называется нитратным.

Если при участии K₂SO₄, то сульфатным.

Разновидностью анаэробного дыхания является брожение - расщепление углеродосодержащих веществ

В зависимости от того, какой продукт преобладает, различают несколько типов брожения: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое, ацетоно-бутиловое.

· Факультативноедыхание, когда микроорганизмы имеют широкий набор ферментов, позволяющих им существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Однако они тяготеют (предпочитают) определенные условия. Например, E. colli лучше размножается в аэробных условиях, а Bac. antrocis - в анаэробных.

· Микроаэрофильноедыхание, когда размножение идет при низком давлении воздуха и незначительном количестве О₂. Возбудитель рожи свиней, возбудитель бруцеллеза КРС.

 

Брожение - расщепление органических соединений в анаэробных условиях с образованием большого количества промежуточных продуктов. В зависимости от того, какой продукт преобладает, различают несколько типов брожения: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, масляное, ацетоно-бутиловое.

СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ происходит на углеводном субстрате при участии хлебных дрожжей Saccharomyces cerevisia и их рас: S. vini и S. globulis. Различают два типа спиртового брожения: верховое (при температуре +18+30), идет бурно: С₆Н₁₂О₆ à 2 СН₃СН₂ОН + 2СО₂, и низовое брожение (при температуре не выше 10⁰), идет медленно. Низовое брожение используют для приготовления пива, а верховое - для производства спирта.

Спиртовое брожение идет при кислом рН 4,0-5,0 (меньше 5,0). В промышленности субстратом для продуцентов может быть полисахариды зерна, картофеля, древесных опилок. При спиртовом брожении образуются ещё побочные продукты, они ядовитые и токсичные, имеют маслянистую консистенцию и их называют сивушные масла. Спирт требует очистки. Существует несколько технологий очистки. Качество спирта зависит от его очистки. Много токсических продуктов в техническом спирте. При рН 8 и более продуценты преобразуют субстрат по типу гидролиза до уксусной кислоты, глицерина и углекислого газа.

2 С₆Н₁₂О₆ à СН₃СООН + СН₃СН₂ОН + СН₂ОНСНОНСНОН + 2 СО₂. Спиртовое брожение на фоне гидролиза используют для производства глицерина.

МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ проводят молочнокислые бактерии. Они могут дисахарить лактозу и образовывать глюкозу, а затем окислять молочную кислоту. В природе существует большое разнообразие молочнокислых бактерий. Среди них есть мезофильные (активно размножаются при t⁰ +20 +40), психрофильные (0 +10), термофильные (+40 +60).

Различают три типа молочнокислого брожения:

1) Гомоферментативное брожение, когда глюкоза превращается в две молекулы молочной кислоты: С₆Н₁₂О₆ à 2 СН₃СНОНСООН. Гомоферментативное брожение проводят Str. lactis, Str. thermophilus, Str. cremoris и палочки – лактобациллы (на самом деле это не бациллы, а бактерии, их первооткрыватель – Бейринк): Lactobac. lactis, Lactobac. acidophilus, Lactobac. bulgaricus, Lactobact. Phlantarum.

2) Гетероферментативное брожение, когда глюкоза превращается в молочную кислоту, спирт и углекислый газ: С₆Н₁₂О₆ à СН₃СНОНСООН + СН₃СН₂ОН + СО₂. Гетероферментативное брожение проводят молочнокислые дрожжи: Saccaromyces lactis, Lactobac. Fermentum, Lactobac. Brevis.

3) Бифидоброжение, когда глюкоза преобразуется в две молекулы молочной кислоты и три молекулы уксусной кислоты: 2 С₆Н₁₂О₆ à 2 СН₃СНОНСООН + 3 СН₃СООН.

Продуценты молочнокислого брожения используют в качестве заквасок для приготовления кисломолочных продуктов, для приготовления бактериальных препаратов для силосования, если погодные условия не позволяют выдержать технологию.

Бифидобактерии, ацедофильную палочку используют для приготовления пробиотиков – препаратов, содержащих живые полезные бактерии, и диетических молочных продуктов.

ПРОПИОНОВОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ проводят пропионовокислые бактерии (пропионибактерии). Они – обитатели почвы, всегда на поверхности растений. Они в анаэробных условиях три молекулы глюкозы превращают в четыре молекулы пропионовой кислоты, две молекулы уксусной кислоты, е молекулы углекислого газа и две молекулы воды: 3 С₆Н₁₂О₆ à 4 СН₃СН₂СООН + 2 СН₃СООН + 2 СО₂ + 2 Н₂О.

Активными продуцентами пропионовой кислоты являются Propionibact. acnes, Propionibact. acidipropionici. Пропионибактерии могут в качестве субстрата использовать молочную кислоту, преобразуя её в пропионовую и уксусную, что значительно понижает рН силосной массы. Препарат ПКБ используют для предотвращения закисления силосной массы, содержит пропионибактерии. Пропионибактерии обитают в рубце жвачных и там преобразуют глюкозу в пропионовую и уксусную кислоты, которые относят к ЛЖК летучим жирным кислотам). Пропионобактерии – продуценты витаминов группы В, активно их образуют в рубце жвачных и в толстом отделе кишечника. Пропионовокислое брожение всегда идёт при силосовании.

 

МАСЛЯНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ ведут сапрофитные микробы: Cl. pasterianum, Cl. butyricum, а также возбудители злокачественного отека, эмкара, столбняка, ботулизма. Маслянокислые клостридии обитают в почве, являются строгими анаэробами. Четыре молекулы глюкозы они превращают в три молекулы масляной кислоты, две молекулы уксусной кислоты, восемь молекул углекислого газа и восемь молекул водорода: 4 С₆Н₁₂О₆ à 3 СН₃СН₂СН₂СООН + 2 СН₃СООН + 8 СО₂ + 8 Н₂. В промышленности производят масляную кислоту (бутират), продуцент бутирата – Cl. butyricum. Маслянокислое брожение вызывает порчу молочнокислых продуктов и сыров. Проходит маслянокислое брожение и в рубце, где уксусная и масляная кислоты переходят в ЛЖК, а углекислый газ и водород – для отрыжки.

АЦЕТОНОБУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ имеет большое практическое значение. Происходит на субстрате кукурузной муки. Продуцент – Cl. acetobitylicum, которая преобразует субстрат до бутилового, изопропилового, этилового спиртов и ацетона. При этом образуются водород и углекислый газ, которые идут на синтез метилового спирта СН₃СООН.

Микробам свойственна наследственность (преемственность) поколений и изменчивость. Материальной основой наследственности у микроорганизмов является одна хромосома, в её составе 5 тысяч нуклеотидов. У некоторых видов есть дополнительная плазмидная ДНК. Различают два типа изменчивости микроорганизмов:

1) Фенотипическая, наследуемая. Маркером этой изменчивости является изменение культуральных свойств микробов. Такой феномен называется диссоциацией. Культуры с признаками диссоциации не подлежат изучению.

2) Генотипическая, наследственная. Она происходит под действием сильных стрессовых факторов, а появляющиеся новые свойства наследуются. Генотипическая изменчивость происходит в результате мутации или комбинации.

 

Характеристика мутаций

Мутации – внезапные изменения свойств микробов, которые передаются по наследству.

Суть мутации – в изменении последовательности нуклеотидов хромосомы или в изменении состава нуклеотидов на уровне утраты аминокислот. Изменчивость на основе утраты синтеза аминокислот называется ауксотрофностью. Бактерии, изменившие свойства в результате мутации, называют мутантами.

Различают два вида причин мутаций:

1. Спонтанные – под действием неизвестных факторов окружающей среды.

2. Индуцированные – в результате действия специфических факторов6 УФЛ, t⁰, гамма-излучение, химические вещества. Перечисленные факторы целенаправленно используют для получения вакцинных штаммов: ТС-177, АУФ.

Различают прямые мутации и обратные (реверсии). Реверсии воспроизводят экспериментально с вакцинным штаммом VR-2, его вернули к дикому типу.

 

Сущность рекомбинации

Рекомбинация – наследуемое изменение свойств микробов в результате поступления генетического материала от других микробов.

Бактерии, участвующие в рекомбинации, подразделяются на доноров (отдающие материал) и реципиентов.

Различают три типа рекомбинации:

· Общая – внутривидовой обмен генами в структуре хромосом иди ДНК-плазмиды.

· Незаконная – при поступлении генов от других видов, родов бактерий. Гены могут мигрировать по хромосоме или ДНК-плазмиде.

· Сайт-специфическая – встраивание гена в хромосому, ДНК-плазмиду при участии специфических ферментов.

 

Рекомбинации у микробов происходят в результате:

1) Трансформация – происходит при совместном пребывании на субстрате бактерий разных видов и штаммов. Трансформацией могут передаваться такие признаки, как синтез ферментов и устойчивость к противомикробным препаратам.

2) Трансдукция – когда гены переносят умеренные фаги.

3) Конъюгация – переход генетического материала плазмид при контакте бактерий через отверстие пилей. Клетки, имеющие пили, обозначаются F⁺, не имеющие пили F^-. При конъюгации передаются такие свойства, как RTF-резистентность к противомикробным препаратам, Col-фактор – способность у кишечной палочки E. coli к продукции колицинов. Конъюгация свойственна нескольким видам бактерий: кишечная палочка, сальмонеллы, золотистый стафилококк. Все перечисленные микроорганизмы содержат RTF-плазмидез и конъюгацией передают ген устойчивости к противомикробным средствам другим особям популяции. Науке известна передача генов в хромосоме при конъюгации.

 

Микробы циркулируют в природе в виде смеси и вступают в различные симбиозы.

Типывзаимоотношений в микромире:

· Симбиоз - взаимное существование. Существует три варианта:

o Мутуализм - взаимовыгодное содружество

o Синеризм - усиление функций у членов микробной ассоциации

o Комменсализм - один партнер живет за счет другого, не причиняя ощутимого вреда

· Антагонизм - непримиримость при взаимном существовании.

Изучение антагонизма привело к выдающемуся открытию антибиотиков. Антагонизм происходит за счет продуктов метаболизма одних видов по отношению к другим.

· Хищничество - поедание мелких бактерий крупными. Установлено у миксобактерий.