Физиология и биохимия микроорганизмов

Физиология изучает жизненные функции микроорга­низмов: питание, дыхание, рост и размножение. В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ (метаболизм).

Сущность обмена веществ составляют два противопо­ложных и вместе с тем взаимосвязанных процесса: ас­симиляция (анаболизм) и диссимиляция (катабо­лизм).

В процессе ассимиляции происходит усвоение пита­тельных веществ и использование их для синтеза клеточ­ных структур. При процессах диссимиляции питательные вещества разлагаются и окисляются, при этом выделяется энергия, необходимая для жизни микробной клетки. В результате распада питательных веществ происходит рас­щепление сложных органических соединений на более простые, низкомолекулярные. Часть из них выводится из клетки, а другие снова используются клеткой для биосинтетических реакций и включаются в процессы ассимиля­ции. Все процессы синтеза и распада питательных веществ совершаются с участием ферментов.

Особенностью микроорганизмов является интенсивный обмен веществ.

ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ

Всем микроорганизмам для осуществления процессов питания, дыхания, размножения необходимы питательные вещества.

В качестве питательных веществ и источников энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения, для нормальной жизнеде­ятельности им требуются также микроэлементы и факторы роста.

Процесс питания микроорганизмов имеет ряд особенно­стей:

во-первых, поступление питательных веществ проис­ходит через всю поверхность клетки;

во-вторых, микробная клетка обладает исключительной быстротой метаболических реакций;

в-третьих, микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся услови­ям среды обитания. Разнообразие условий существования микроорганизмов обусловливает различные типы питания.

Типы питания определяются по характеру усвоения углерода и азота. Источником других органогенов­ водорода и кислорода служит вода. Вода необходима микроорганизмам и для растворения питательных ве­ществ, так как они могут проникать в клетку только в растворенном виде.

По усвоению углерода микроорганизмы делят на два типа: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от греч. autos-сам, tгорhе-питание) способны синтезировать сложные органические вещества из простых неорганических соединений. Они могут ис­пользовать в качестве источника углерода углекислоту и другие неорганические соединения углерода. Автотрофами являются многие почвенные бактерии (нитрифицирующие, серобактерии и др.).

Гетеротрофы (от греч. hеtегоs-другой, trophe­питание) для своего роста и развития нуждаются в готовых органических соединениях. Они могут усваивать углерод из углеводов (чаще всего глюкозы), многоатомных спиртов, органических кислот, аминокислот и других, органических веществ.

Гетеротрофы представляют обширную группу микро­организмов, среди которых различают сапрофитов и пaразитов. -

Сапрофиты (от греч. sapros - гнилой, phyton - ­растение) получают готовые органические соединения от отмерших организмов. Они играют важную роль в разло­жении мертвых органических остатков, например бакте­рии гниения и др.

Паразиты (от греч. parasitos - нахлебник) живут и размножаются за счет органических веществ живой клет­ки растений, животных или человека. К таким микроорга­низмам относятся риккетсии, вирусы и некоторые простейшие.

По способности усваивать азот микроорганизмы делят­ся также на две группы: аминоавтотрофы и аминогетерот­рофы. Аминоавтотрофы для синтеза белка клетки используют молекулярный· азот воздуха (клубеньковые бактерии, азотобактер) или усваивают его из аммонийных солей. Аминогетеротрофы получают азот из органи­ческих соединений - аминокислот, сложных белков. К ним относят все патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитов.

По источникам энергии среди микроорганизмов разли­чают фототрофы, использующие для биосинтетических реакций энергию солнечного света (пурпурные серобакте­рии) и хемотрофы, которые получают энергию за счет окисления неорганических веществ (нитрифицирующие бактерии и др.) и органических соединений (большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды).

Однако резкой границы между типами питания микро­бов провести нельзя, так как есть такие виды микроорга­низмов, которые могут переходить от гетеротрофного типа питания к автотрофному, и наоборот.

В настоящее время для характеристики типов питания введена новая терминология: гетеротрофы называют ор­ганотрофами, а автотрофы - литотрофами (от греч. litos-камень), так как подобные микроорганизмы способны расти в чисто минеральной среде.

Факторы роста. Микроорганизмы для своего роста и размножения нуждаются в особых веществах, которые сами синтезировать не могут и должны получать их в готовом виде. Эти вещества называют факторами роста, и нужны они микробным клеткам в небольших количествах. К ним относят различные витамины, некоторые аминокис­лоты (необходимые для синтеза белка), пуриновые и пиримидиновые основания (идущие на построение нуклеиновых кислот) и др. Многие факторы роста входят в состав различных ферментов и играют роль катализаторов в биохимических процессах.

Знание потребностей микроорганизмов в питательных веществах и факторах роста очень важно, в частности, для создания питательных сред, применяемых для их выращивания.

ФЕРМЕНТЫ И ИХ РОЛЬ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ

Ферменты - это вещества белковой природы, выраба­тываемые живой клеткой. Они являются биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов.

По химическому строению, свойствам и механизму действия ферменты микробов сходны с ферментами, образующимися в клетках и тканях животных и растений. Характерным свойством ферментов является специфичность действия, т. е. каждый фермент реагирует с определенным химическим соединением или катализиру­ет одну или несколько близких химических реакций.

Активность ферментов зависит от температуры среды, рН и других факторов. Для многих патогенных микроорганизмов оптимальное значение рН 7,2-7,4, а оптимальная температура находится в пределах 37-50˚С.

Ферменты микроорганизмов классифицируются на эк­зоферменты и эндоферменты.

Экзоферменты, выделя­ясь во внешнюю среду, расщепляют макромолекулы питательных веществ до более простых соединений, кото­рые могут быть усвоены микробной клеткой. Так, к экзоферментам относят гидролазы, вызывающие гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате этих реакций белки расщепляются на аминокислоты и пептоны, жи­ры - на жирные кислоты и глицерин, углеводы (полисаха­риды) - на дисахариды и моносахариды. Распад белков вызывают ферменты протеазы, жиров - липазы, углево­дов - карбогидразы.

Эндоферменты участвуют в ре­акциях обмена веществ, происходящих внутри клетки.

У микроорганизмов различают также конститутивные и индуктивные ферменты.

Конститутивные фермен­ты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий существования. Это в основном ферменты клеточного обмена: протеазы, липазы, карбогидразы и др.

Индуктивные (адаптивные) ферменты синтезируются в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной среде, и когда микроорга­низм вынужден его усваивать. Таким образом, индуктивные ферменты позволяют микро­бной клетке приспособиться к изменившимся условиям существования.

Наряду с ферментами обмена многие патогенные бак­терии вырабатывают также ферменты агрессии, которые служат для преодоления естественных защитных барьеров макроорганизма и являются факторами патогенности. К таким ферментам относятся гиалуронидаза, дезоксирибонуклеаза, лецитиназа.

ДЫХАНИЕ БАКТЕРИЙ

Дыхание (или биологическое окисление) микроорганиз­мов представляет собой совокупность биохимических про­цессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микробных клеток.

Все физиологические процессы, такие как движение, рост и размножение, образование спор и капсул, выработ­ка токсинов, могут осуществляться при постоянном прито­ке энергии. Микроорганизмы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров и т. д. Сущность окисления состоит в том, что окисляемое вещество отдает электроны, а восстанавливаемое получает их.

По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на облигатные (строгие) аэробы, облигатные анаэробы и факультативные (необязательные) анаэробы.

Облигатные аэробы - живут и развиваются при свободном доступе кисло­рода, т. е. реакции окисления осуществляются у них при участии молекулярного кислорода с высвобождением большого количества энергии. Примером может служить окисление глюкозы в аэробных условиях:

С₆Н₁₂ 0₆+60₂ →6CO₂+6H₂O+2882,6 кД (688,5 ккал)

Существуют и микроаэрофилы, которые нуждаются в малых количествах кислорода.

Облигатные анаэробы - способны жить и размножаться только в отсутствие свободного кислорода воздуха. Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с образованием небольшого количества энергии. Так, при анаэробном разложении 1 моль глюкозы энергии выделяется значительно меньше, чем при аэробном дыхании:

С6Н₁₂0₆ →2С2Н₅ОН+2СО₂+130,6 кД (31,2 ккал)

Наличие свободного кислорода для облигатных анаэро­бов является губительным. Это связано с тем, что в присутствии кислорода конечным продуктом окисления органических соединений оказывается перекись водорода. А поскольку анаэробы не обладают способностью проду­цировать фермент каталазу, расщепляющую перекись водорода, то она накапливается и оказывает токсическое действие на бактерии.

Факультативные анаэробы могут размножаться как при наличии молекулярного кислорода, так и при отсутствии его. К ним относят большинство патогенных и сапрофитных бактерий.

Процессы разложения органических веществ в бескис­лородных условиях, сопровождающиеся выделением энер­гии, называют также брожением. В зависимости от участия определенных микроорганизмов и конечных продуктов расщепления углеводов различают несколько ти­пов брожения: спиртовое, осуществляемое дрожжами; молочнокислое, вызываемое молочнокислыми бактери­ями; маслянокислое, обусловленное маслянокислыми бактериями и др.

Выделение тепла при дыхании микроорганизмов можно наблюдать при выращивании культур в сосудах, защищен­ных от потери тепла - температура питательной среды будет постепенно повышаться. С выделением избыточного тепла при дыхании некоторых микроорганизмов связаны процессы самовозгорания торфа, навоза, влажного сена и хлопка.

 

Медицинская микология

В настоящее время известно около 80 тыс, видов грибов, из кото­рых около 150 являются первично патогенными для человека и животных, а вместе с условно патогенными грибами перечень видов составляет около 500 наименований. Микромицеты, инфицирующие иммунодефицитных людей, вызывают оппортунистические микозы.

Факторами риска при глубоких микозах являются:

1)гормональные (диабет) и гематологические заболевания, иммунодефициты и злокачественные опухоли;

2)кортикостероидная, иммуносупрессивная, цитостатическая и антибактериальная терапия;

3)обширные хирургические вмешательства (на сердце, органах брюшной полости, трансплантация органов);

4)возраст пациентов, особенно новорожденные и пожилые люди, а также беременность; обширные травмы, ожоги.

СИСТЕМАТИКА ГРИБОВ

Надцарство — Эукариоты

Царство — Грибы (Mycota или Fungi)

Отделы - Грибы-с лизевнки (Myxomycola)

-Настоящие грибы (Eumycota)

Классы:

1. Chytridiomycetes – фикомицеты

2. Hyphochytridiomycetes – фикомицеты

3. Oomycetes – фикомицеты

4. Zygomycetes – фикомицеты

5. Ascomycetes – эумицеты

6. Basidiomycetes – эумицеты

7. Deuteromycetes – эумицеты

Первые четыре класса составляют группу низших грибов.

Сумчатые, базидиальные и несовершенные микромицеты относят к высшим грибам.

Большинство патогенных грибов относят к аскомицетам, базидиомицетам и дейтеромицетам.

Морфология грибов

Большинство грибов относится к аэробам, они вырастают в виде пленок на повер­хности жидких сред. Грибы чаще размножаются с помощью специальных зародыше­вых клеток — спор. В благоприятных условиях спора, прорастая, образует ростковую трубочку, которая удлиняется и превращается в нить — гифу (филамент). Впоследствии в гифе могут возникнуть поперечные перегородки — септы. Септированные гифы у высших грибов, несептированные у низших.

У базидиальных (высших) грибов, к которым относятся шляпочные съе­добные и несъедобные (ядовитые) виды, возбудители криптококкоза, образуются так называемые пряжки (своеобразные маркеры для многих базидиомицетов), обеспечивающие контакт двух соседних клеток.

Продолжая расти и ветвиться, гифы переплетаются и образуют мицелий, который может быть рыхлым, как у плесеней, и компактным, как у плодовых тел шляпочных грибов. Та часть мицелия, которая врастает в субстрат, назы­вается субстратным вегетативным мицелием; другая часть, направленная вверх (в воздух) и ответственная за спорообразование — репродуктивным (воздушным) мицелием. Репродуктивный ми­целий образует спорообразующие структуры, называемые спорофорами, и лишь в редких случаях спорофорами являются сами нити мицелия. Репродуктив­ный мицелий и образуемые им споры неодинаковы у разных представителей грибов, что используется для их идентификации и систематики.

 

Рисунок Морфология и строение грибов:

 

1 — прорастание споры; 2 — гифы с перегородками (септами); 3 — несептированная гифа;

4 — пряжки у базидиальных грибов; 5 — репродуктив­ный (А, Б) и вегетативный (Г) мицелий, А — спорангиеносец, Б — спорангии; 6 — спорангий со спорангиеспорами; 7 — зооспорангий с зооспорами; 8- Aspirgillus sp.: A — конидии, Б — стеригмы, В — пузырек, Г — стебель, И— опорная клетка; 9 — Penicillum sp.: А — конидии, Б — стеригма, В- метула, Г — веточка, Д — стебель;

10 - Fonsecaea sp,: А — конидии, Б — конидиеносец; 11 — Trichoderma sp.: A — конидии, Б — конидиеносец; 12 — ОIiocladium sp.: A — конидиеносец, Б — конидии, В — слизь;

13 — Microsporum: А- микроконидии, Б — макроконидии; 14 - Fusarium sp.: A — макроконидии, Б - микроконидии; 15 — педицеллятные конидии; 16 - таллоспоры: А — бластоспоры, Б — псевдоконидии, В — интеркалярная хламидоспора, Г — терминальная хламидоспора, Д — артроспора.