Физиология бактерий. Энергетический метаболизм Физиология бактерий
 Скачать 4.01 Mb.
|
Физиология бактерий 1. Химический состав 2. Ферменты бактерий 3. Питание бактерий 4. Энергетический метаболизм Физиология бактерий Физиология бактерий включает метаболизм бактерий, т.е. питание, получение энергии, рост и размножение, а также их взаимодействие с окружающей средой. Метаболизм бактерий лежит в основе изучения и разработки методов их культивирования, получения чистых культур и их идентификации. Химический состав микробной клетки Вода – основной компонент бактериальной клетки, составляющий около 80% её массы. В спорах количество воды уменьшается до 20%. В спорах вода находится в связанном состоянии, а в вегетативных клетках – в свободном. Больше воды содержат молодые формы и меньше – зрелые. С участием воды осуществляются биохимические и физиологические процессы в клетке. При уменьшении количества воды замедляется жизнедеятельность, а высушивание может приводить к гибели. Однако большинство бактерий хорошо переносят высушивание, но при недостатке воды они не размножаются. Химический состав микробной клетки В сухом веществе бактерий 52% составляют белки, 17% - углеводы, 9% - липиды, 16% - РНК, 3% - ДНК 3% - минеральные вещества Белковые вещества Бактерии содержат более 2000 различных белков, находящихся в структурных компонентах и участвующих в процессах метаболизма. Различают простые белки (протеины), состоящие из сочетаний 20 остатков аминокислот, и сложные – протеиды (комплексы белков с небелковыми группами – липопротеиды, нуклеопротеиды, гликопротеиды). В состав белков входят как обычные аминокислоты, так и оригинальные- диаминопимелиновая, D-аланин, D-глютамин, входящие в состав пептидогликана и капсул некоторых бактерий. Только в спорах находится дипиколиновая кислота, с которой связана высокая резистентность спор. Жгутики построены из белка флагеллина, обладающего сократительной способностью и выраженными антигенными свойствами. Пили (ворсинки) содержат особый белок- пилин. Углеводы Углеводы в микробной клетке представлены простыми веществами (моно- и дисахаридами). Полисахариды часто входят в состав капсул и КС у Грам(-) бактерий. Внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.) являются запасными питательными веществами клетки. Некоторые полисахариды принимают участие в формировании антигенов (О-АГ, К-АГ) Липиды Липиды входят в состав ЦПМ и её производных, а также КС Грам(-) бактерий. Они могут присутствовать в цитоплазме, как запасные питательные вещества. Липиды бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицеридами. У кислотоустойчивых бактерий в КС находятся воски, эфиры миколовой кислоты. У микоплазм – стеролы в ЦПМ. Химический состав микробной клетки 1.Биогенные химические элементы (С, О, N, H). На их долю приходится 95% сухого остатка, в т.ч. 50%- C, 20%- O, 15%- N, 10%- H). 2.Макроэлементы- P, S,Cl, K, Mg, Ca, Na. На них приходится около 5 %. 3.Микроэлементы- Fe, Cu, I, Co, Mo и др. На них приходятся доли процента, однако они имеют важное значение в обменных процессах. ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА У БАКТЕРИЙ ◦ высокая скорость метаболических процессов; ◦ процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции; ◦ могут использовать любые источники основных химических соединений; ◦ высокая адаптационная способность к меняющимся условиям окружающей среды; ◦ широкий спектр различных ферментов; Ферменты бактерий 1.Оксидоредуктазы- катализируют окислительно- восстановительные реакции. 2.Трансферазы- осуществляют реакции переноса групп атомов. 3.Гидролазы- осущесвляют 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. Ферменты, образуемые бактериальной клеткой, могут как локализоваться внутри клетки – эндоферменты, так и выделяться в окружающую среду – экзоферменты. Экзоферменты играют большую роль в обеспечении бактериальной клетки доступными для проникновения внутрь источниками углерода и энергии. Большинство гидролаз являются экзоферментами. Ряд экзоферментов являются ферментами агрессии (гиалуронидаза, нейраминидаза, коллагеназа и др.) Различают конституитивные ферменты, синтез которых происходит в течение всего клеточного цикла и индуцибельные, синтез которых инициируется соответствующим субстратом Микробиологическая (рабочая) классификация бактериальных ферментов Ферментативный спектр является таксономическим признаком, характерным для семейства, рода и в некоторых случаях для видов. Поэтому определением спектра ферментативной активности пользуются при идентификации бактерий: 1.Сахаролитические 2.Протеолитические 3.Окислительно- восстановительные. 4.Ферменты агрессии (факторы вирулентности). ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ Транспорт питательных веществ в бактериальную клетку (механизмы питания) Простая диффузия Облегченная диффузия Активный транспорт Транслокация радикалов Механизмы транспорта веществ в клетку Наружная Мембрана Внутренняя среда среда Простая диффузия Облегчённая П диффузия П Энергизованный источник Активный Энергия транспорт П П Транслокация HPrP ФЕП радикалов П Фер- HPr мент П --P Пируват Типы питания бактерий Основной целью метаболизма бактерий является рост, т.е. координированное увеличение всех компонентов клетки. Поскольку остов всех органических соединений построен из атомов углерода, то для роста требуется постоянный приток углерода. По источнику углерода Аутотрофы – используют для построения клеток неорганический углерод в виде СО 2 Гетеротрофы – используют органический углерод (гексозы, многоатомные спирты, аминокислоты, липиды) Для восполнения биомассы бактериям также требуется энергия. Энергия запасается в форме молекул АТФ По источнику энергии Фототрофы – источником энергии является свет (фотосинтез) Хемотрофы – получают энергию за счет ОВР: - Литотрофы – используют неорганические доноры электронов (Н 2 , NH 3 , H 2 S, Fe и др.) - Органотрофы – используют в качестве доноров электронов органические соединения Бактерии, имеющие медицинское значение, являются гетерохемоорганотрофами. Отличительной особенностью данной группы является то, что источник углерода у них является источником энергии. Степень гетеротрофности у различных бактерий неодинакова. Среди них выделяют Сапрофиты, которые питаются мертвым органическим материалом и независимы от других организмов Паразиты получают питательные вещества из живых клеток Энергетический метаболизм В зависимости от способа получения энергии у бактерий имеется несколько типов метаболизма: Окислительный (дыхание) Бродильный (ферментативный) Смешанный Тип метаболизма определяет не только реакции, в результате которых образуется АТФ, но и конечные продукты этих реакций, которые используются при идентификации бактерий, а также условия их культивирования. Дыхание бактерий Дыхание – процесс получения энергии в ОВР, сопряженных с реакциями окислительного фосфорилирования, при котором донорами электронов могут быть органические (у органотрофов) и и неорганические (у литотрофов), а акцептором – только неорганические соединения. У бактерий, обладающих окислительным метаболизмом, конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О 2 ). Необходимая для жизнедеятельности клеток АТФ может образовываться в цитоплазме в результате гликолиза. Это процесс расщепления глюкозы (или др. гексоз) под действием различных ферментов, который не требует участия кислорода. При гликолизе 1 молекула глюкозы даёт возможность синтезировать 2 молекулы АТФ. Продукты расщепления глюкозы (ПВК) вступают в ЦТК (цикл Кребса). На всех стадиях этого цикла происходит поглощение кислорода и выделение углекислого газа, воды и энергии, запасаемой в молекулах АТФ. Главный по эффективности процесс синтеза АТФ происходит при участии кислорода в многоступенчатой дыхательной цепи. ДЦ в совокупности с ЦТК и гликолизом позволяет довести «выход» молекул АТФ с каждой молекулы глюкозы до 38: С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О + 38 АТФ Типичная ДЦ выглядит следующим образом: ЦТК – НАД(Н 2 ) – флавопротеид – хинон – - цитохромы: b c a - O 2 У некоторых бактерий цитохромы отсутствуют и при контакте с кислородом происходит непосредственный перенос водорода на кислород с помощью флавопротеидов, конечным продуктом при этом оказывается Н 2 О 2. Ферменты ДЦ Флавопротеиды - окислительно-восстановительные ферменты, которые передают атомы водорода от восстановленных пиридиновых нуклеотидов (НАДН, НАДФН) последующим переносчикам. Хиноны – оксилительно-восстановительные ко- ферменты, способные переносить как водород так и электроны, которые они дальше передают цитохромам. У грамотрицательных чаще встречается убихинон, у грамположительных - нафтохинон. Цитохромы - окислительно-восстановительные ферменты, которые переносят только электроны. Дыхательная цепь содержит несколько цитохромов, различающихся по окислительно-восстановительным потенциалом и другими свойствами. При переносе электронов на ЦПМ возникает трансмембранный электрохимический градиент ионов водорода. Протоны и электроны накапливаются по разные стороны мембраны, что создает разность потенциалов. Образуется протонный канал при участии фермента АТФ- синтетазы, через который протоны переходят с наружной стороны мембраны клетки на внутреннюю сторону Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии, значительная часть которой идет на синтез АТФ из АДФ Помимо углеводов, прокариоты способны использовать другие органические соединения, в частности белки, в качестве источника энергии, окисляя их полностью до СО 2 и Н 2 О Процесс аммонификации известен как гниение, при этом происходит накопление первичных аминов. Гнилостные бактерии осуществляют минерализацию белка, разлагая его до СО 2 , NH 3 , H 2 S. Анаэробное дыхание Анаэробное дыхание – это процесс, в котором, в отличие от аэробного дыхания, конечным акцептором электронов является связанный кислород ( -NO 3 , =SO 4 , =SO 3 ) в виде неорганических соединений. При анаэробном дыхании функционируют электрон-транспортная цепь, с теми же типами переносчиков электронов и протонов, но цитохромоксидаза заменяется на соответствующие редуктазы (нитратредуктаза, сульфатредуктаза, карбонатредуктаза, фумаратредуктаза). Типы анаэробного дыхания у бактерий Энергетический процесс Конечный акцептор электронов Продукты восстановления Нитратное дыхание и денитрификация NO 3 – , NO 2 – NO 2 – , NO, N 2 O, N 2 Сульфатное и серное дыхание SO 4 2– , S 0 H 2 S Карбонатное дыхание CO 2 ацетат Бродильный (ферментативный) метаболизм Ферментация (брожение) – процесс получения энергии, при котором отщепленный от субстрата кислород переносится на органические соединения. Кислород в процессе брожения участия не принимает. Ферментироваться могут углеводы, аминокислоты (кроме ароматических), пурины, пиримидины, многоатомные спирты. Продуктами брожения являются кислоты, газы, спирты. Брожение описал Луи Пастер в 1861 г. Он назвал его «жизнью без воздуха» Типы брожения Спиртовое (дрожжи) – конечными продуктами являются этанол и СО 2 Молочнокислое (стрептококки, лакто- и бифидобактерии) – продуктами являются, молочная кислота, этанол и уксусная кислота Маслянокислое брожение (строгие анаэробы) – масляная, уксусная, валериановая и др. органические кислоты (определение используется для идентификации анаэробов) Муравьинокислое (энтеробактерии, вибрионы) – муравьиная, янтарная, молочная кислоты Брожение протекает в 2 фазы: - Окислительную (гликолиз), при которой из 1 молекулы глюкозы образуется ПВК и 2 молекулы АТФ - Восстановительную, при которой конечным акцептором водорода выступает вещество с ненасыщенными связями (пируват или образовавшееся из него вещество). Примитивность процессов брожения заключается в том, что из субстрата извлекается лишь незначительная доля энергии, которая в нем содержится. Например, в процессе гомоферментативного молочнокислого брожения синтезируются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. В процессах брожения в определенных окислительно-восстановительных реакциях образуются нестабильные молекулы, фосфатная группа которых содержит много свободной энергии. Эта группа с помощью соответствующего фермента переносится на молекулу АДФ, что приводит к образованию АТФ. Субстратное фосфорилирование Ферментация белков. Если для бактерий с бродильным метаболизмом источником энергии служат белки, то такие бактерии называются пептолитическими или протеолитическими (клостридии). Они гидролизуют белки и сбраживают аминокислоты. В результате образуются жирные кислоты. Конструктивный метаболизм Основные компоненты бактериальной клетки синтезируются в реакциях полимеризации из аминокислот, фосфатов, сахаров, пуриновых и пиримидиновых оснований, органических кислот. Среди бактерий выделяется группа (прототрофы), которые способны синтезировать все компоненты клетки из одного источника углерода и энергии (неприхотливые). Если бактерии утрачивают способность образовывать жизненно-важное вещество (аминокислоту, витамин, пурины, пиримидины и др.), то требуется его поступление в готовом виде. Такие вещества называются факторами роста, а бактерии – ауксотрофами (прихотливые, требовательные). ОТНОШЕНИЕ К ФАКТОРАМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Отношение к температуре 1.Психрофилы- растут при температурах ниже +20 градусов Цельсия. 2.Мезофилы- растут в диапазоне температур от 20 до 45 градусов (часто оптимум- при 37 градусах С). 3.Термофилы- растут при температурах выше плюс 45 градусов. Отношение к кислотности Большинство бактерий, имеющих медицинское значение, живут при рН среды от 4,0 до 9,0 с оптимум около 7,0. Микробы, предпочитающие щелочную среду (алкалофильные) от 9,0 и выше (холерный вибрион) Микробы, предпочитающие кислую среду (ацидофильные) ниже 4,0 (молочнокислые бактерии) Бактерии, устойчивые к изменениям рН (кислотоустойчивые) Отношение к молекулярному кислороду. Типы дыхания 1.Облигатные аэробы. Используют молекулярный (атмосферный) кислород для получения энергии путем кислородного дыхания. Энергию получают оксидативным метаболизмом, используя кислород как терминальный акцептор в реакции, катализируемой цитохромоксидазой. Бывают строгие аэробы и микроаэрофилы , которые нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода, т.к. их ферменты инактивируются при контакте с сильными окислителями (например, гидрогеназы). 2. Облигатные анаэробы. Не используют кислород для получения энергии. Тип метаболизма у них преимущественно бродильный. Бывают строгие анаэробы и аэротолерантные. Строгие анаэробы погибают в присутствии кислорода. Аэротолерантные анаэробы не используют кислород для получения энергии, но могут существовать в его атмосфере. 3. Факультативные анаэробы обладают смешанным типом метаболизма. Процесс получения энергии у них может происходить кислородным дыханием и брожением. ***** В процессе аэробного дыхания образуются токсические продукты окисления (H 2 O 2 - перекись водорода, -О 2 - свободные кислородные радикалы), от которых защищают специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза. У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно- восстановительного потенциала (rH 2 ). Рост и размножение Под ростом бактерий понимают увеличение массы клеток без изменения их числа в популяции как результат скоординированного воспроизведения всех клеточных компонентов и структур. Увеличение числа клеток в популяции микроорганизмов обозначают термином «размножение». Оно характеризуется двумя параметрами: временем генерации (интервал времени, за который число клеток удваивается) и таким понятием, как концентрация бактерий (КОЕ* на 1 мл или г). *КОЕ – колониеобразующая единица (КОЕ/мл; КОЕ/г) Бактерии, засеянные в определённый, но не изменяющийся объём жидкой питательной среды, размножаясь, потребляют питательные элементы. Что в дальнейшем приводит к истощению питательной среды и прекращению роста бактерий. Культивирование бактерий в замкнутой системе называют периодическим, а культуру – периодической. Рост периодической культуры бактерий подразделяют на несколько фаз, или периодов. Фазы роста бактериальной популяции. Периодические культуры. - лаг- фаза (начальная стадия адаптации с медленным темпом прироста биомассы бактерий) период между посевом бактерий и началом их размножения, длится в среднем 2-5 часов; бактерии при этом увеличиваются в размерах и готовятся к делению, повышается количество нуклеиновых кислот, белка и других компонентов клетки. - экспоненциальная (геометрического роста) фаза с резким ростом численности популяции микроорганизмов (2 в степени n); является периодом интенсивного деления бактерий продолжительностью около 5-6 часов. - стационарная фаза (фаза равновесия размножения и гибели микробных клеток); - фаза гибели - уменьшение численности популяции в связи с уменьшением и отсутствием условий для размножения микроорганизмов (дефицит питательных веществ, изменение рH, rH2, концентрации ионов и других условий культивирования). Характеризуется отмиранием клеток в условиях истощения источников питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий. Продолжительность этой фазы колеблется от десятков часов до нескольких недель. - лаг- фаза (начальная стадия адаптации с медленным темпом прирости биомассы бактерий); - экспоненциальная (геометрического роста) фаза с резким ростом численности популяции микроорганизмов ; - стационарная фаза (фаза равновесия размножения и гибели микробных клеток); - стадия гибели - уменьшение численности популяции в связи с уменьшением и отсутствием условий для размножения микроорганизмов Непрерывное культивирование Если условия культивирования поддерживаются путём дозирования питательных веществ, контроля плотности бактериальной суспензии и удалением метаболитов, то культура находится в логарифмической фазе роста и называется непрерывной. Непрерывное культивирование применяется в промышленных условиях для получения биомассы бактерий в биотехнологических процессах. Условия культивирования 1.Использование всех необходимых для соответствующих микробов питательных компонентов. 2.Оптимальные температура, рН, rH 2 , концентрация ионов, степень насыщения кислородом, газовый состав и давление. Микроорганизмы культивируют на питательных средах при оптимальной температуре в термостатах, обеспечивающих условия инкубации. Культивирование микроорганизмов Метод культивирования Микроорганизмы In vivo: ◼ Культура клеток ◼ Птичий эмбрион ◼ Организм животного Облигатные паразиты: ◼ Риккетсии ◼ Хламидии ◼ Вирусы In vitro: ◼ Искусственные питательные среды Почти все патогенные бактерии Бактериологический метод включает в себя выделение чистой культуры возбудителя с последующей идентификацией его по культуральным, биохимическим, антигенным и ряду других свойств. При этом возможно установить чувствительность выделенного агента к тем или иным химиотерапевтическим препаратам и бактериофагам. Бактериологический метод является основным для постановки этиологического диагноза при большинстве инфекционных заболеваний, внутрибольничных инфекций, бактериальных осложнений. Характеристика бактериологического метода диагностики Бактериологический метод диагностики основан на выделении чистой культуры бактерий и идентификации ее по свойствам в лабораторных условиях. Идентификация – установление видовой принадлежности микроорганизма. С этой целью определяют морфологические, тинкториальные, культуральные, биохимические и антигенные свойства. Чистая культура- популяция одного вида микроорганизмов, выделенная на питательной среде. Колония – видимая простым глазом изолированная структура, образующаяся в результате размножения и накопления бактерий за определенный срок инкубации. Колония – это потомство 1 родительской клетки (КОЕ) Основной и главный принцип бактериологии – во избежание ошибок изучать свойства только чистых , однородных культур. Каждая выделенная культура данного вида бактерий называется также штаммом, т.е. конкретным образцом данного вида (нем. stammen – происходить). |