Питание и размножение бактерий. 4. Питание и размножение бактерий. Физиология бактерий
 Скачать 197.5 Kb.
|
|
Кетодезоксифосфоглюконатный путь (КДФГ-путь, Энтнера-Дудорова). КДФГ-путь функционирует у довольно широкого круга прокариот, главным образом у грамотрицательных (энтеробактерии, псевдомонады, спириллы и др.) (схема 5). У анаэробов он встречается довольно редко. Путь имеет важное значение при катаболизме глюконовой, мангнановой, гексуроновых кислот и их производных. Конечными продуктами КДФГ-пути являются пировиноградная кислота и 3-фосфорноглицериновый альдегид. При разложении молекулы глюкозы в КДФГ-пути образуется 1 молекула АТФ и по 1 молекуле НАДФ*Н2 и НАД*Н2. КДФГ-путь имеет несколько точек сопряжения с гликолизом (глюкозо-6-фосфат, 3-фосфорноглицериновый альдегид, пирофиноградная кислота) и пентозофосфатным путём. КДФГ-путь является наиболее коротким путём получения пировиноградной кислоты. Прокариоты, расщепляющие глюкозу КДФГ-путём, не имеют ферментов, приводящих к бродильным процессам. Анаэробное дыхание, или субстратное фосфорилирование, сопровождающееся брожением конечных продуктов гликолиза - в 9-18 раз менее выгодный способ получения энергии по сравнению с окислительным фосфорилированием. Получение энергии путём окислительного фосфорилирования. Окислительным фосфорилированием называется кислородзависимый процесс присоединения неорганического фосфата к АДФ с образованием АТФ за счёт энергии электронов водорода, освободившегося в цикле трикарбоновых кислот. Особенности дыхания у облигатных анаэробов, факультативных анаэробов и облигатных аэробов. Облигатные хемоорганотрофные анаэробы получают энергию за счёт субстратного фосфорилирования: (1) гликолиза (преимущественно), КДФГ- и пентозофосфатного путей (частично); (2) механизма Стикленда; (3) при брожении (пропионовокислом, уксуснокислом), где имеют место прямые или обратные неполные кислороднезависимые циклы трикарбоновых кислот. Факультативные хемоорганотрофные анаэробы в анаэробных условиях получают энергию за счёт субстратного фосфорилирования (70 % энергии при гликолизе, 40 % - при КДФГ- и пентозофосфатном путях). Акцепторами электронов при этом могут служить нитраты (так называемое нитратное дыхание), или органические вещества, например фумарат (фумаратное дыхание). При нитратном дыхании вместо цитохромоксидаз функционируют нитратредуктазы, а обнаружение продуктов восстановления нитратов – нитриты и другие восстановленные формы азота на практике используют для идентификации бактерий. В анаэробных условиях цикл трикарбоновых кислот не играет никакой роли в образовании АТФ, а функционирует как биосинтетическая система. При этом образуются все ферменты цикла Кребса, кроме α-кетоглутаратдегидрогеназы. Отсутствие этого фермента нарушает цикличность системы, но не влияет на её биосинтетические функции – образование α-кетоглутаровой, янтарной и щавелево-уксусной кислот (оксалоацетат). В аэробных условиях происходит индукция синтеза α-кетоглутаратдегидрогеназы, и цикл функционирует и в качестве АТФ-образующей системы. Таким образом, при аэробном росте цикл трикарбоновых кислот одновременно выполняет дыхательную и биосинтетическую функции. Облигатные хемоорганотрофные аэробы получают энергию за счёт субстратного и окислительного фосфорилирования. Субстратное фосфорилирование протекает преимущественно по КДФГ-пути, при этом образующаяся пировиноградная кислота не подвергается дальнейшему брожению, а включается в цикл трикарбоновых кислот. Окислительное фосфорилирование протекает на цитоплазматической мембране клетки при наличии полных дыхательных цепей, содержащих цитохромы, и при участии молекулярного кислорода. Регуляция дыхания у прокариот осуществляется через АТФ и АДФ. АТФ является ингибитором ключевых ферментов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, тогда как АДФ является их активатором. АТФ и АДФ определяют скорость транспорта электронов, окислительного и субстратного фосфорилирования. Уменьшение АТФ ведёт к увеличению концентрации АДФ, вслед за чем увеличивается скорость транспорта электронов и окислительного фосфорилирования. Усиление потока электронов в дыхательной цепи ведёт к возрастанию скорости гликолиза, обеспечивающего усиленное образование пировиноградной кислоты – исходного горючего для цикла трикарбоновых кислот. Нормализация концентрации АТФ сопровождается уменьшением количества АДФ, вслед за чем перенос электронов замедляется и скорость гликолиза и окислительного фосфорилирования снижается. 6. Рост и размножение бактерий. Рост – это координированное увеличение размеров и массы клетки. Рост сопровождается воспроизведением всех клеточных структур и компонентов, что обусловлено достаточным поступлением в клетку веществ, необходимых для конструктивного и энергетического обменов. Особенно велика, как источников азота и углерода, роль аминокислот и углеводов. В процессе роста происходит развитие и дифференцировка бактериальной клетки. Развитие – это совершенствование во времени структур и функций клетки, унаследованных потомками от родительских форм. Дифференцировка – это дифференцированное проявление генов, содержащихся в геноме клетки. Развитие протекает фазово, в связи с чем в растущей популяции чистой культуры прокариот клетки могут находиться в разной степени зрелости. Однофазное развитие бактерий получают методом синхронизации роста культуры. Так, например, выдерживая клетки Streptococcuspneumoniae вначале при 25˚С в течение 15 мин, а затем при 37˚С, удаётся достичь синхронизированного (одновременного) удвоения числа клеток и во времени тем меньшем, чем продолжительнее период генерации культуры. Рост бактерий не всегда завершается их делением. Задержку деления способны вызвать различные физические и химические факторы (ультрафиолетовое облучение, антибиотики, соли жёлчных кислот, детергенты). В результате их действия образуются нитевидные формы бактерий, превышающие по размерам исходные клетки. Размножение – это увеличение количества клеток в популяции. Прокариоты размножаются бесполым способом. Размножение прокариот может проходить путём поперечного деления, фрагментации (дробления), почкования и бесполого спорообразования. У некоторых прокариот (хламидии) имеет место сложный цикл развития, включающий деление. Типы и формы деления прокариот генетически детерминированы и сохраняются в последующих генерациях. Поперечное (бинарное) деление характерно для большинства бактерий, в том числе и для спирохет. При этом клетки удлиняются, формируются поперечная клеточная мембрана и новая клеточная стенка, растущие внутрь. В этом процессе участвуют перегородочные лизосомы. Нуклеоид перед делением удваивается и поровну распределяется в 2 образующиеся клетки. На завершающемся этапе дочерние клетки, как правило, отделяются друг от друга. В ряде случаев межклеточные связи могут сохраняться, что ведёт к образованию цепочек или других ассоциированных форм (стрептококки, стафилококки и пр.). Бинарное деление называют изоморфным, если дочерние клетки имеют равные размеры, или гетероморфным – при образовании клеток, по размеру неодинаковых. Продолжительность собственно деления может составлять от 20-45 мин (у кишечной палочки) до 14 ч (у микобактерий туберкулёза). Фрагментация (дробление)– одновременное образование из материнской 3 и более дочерних клеток, содержащих в полном объёме генетический материал и часть протоплазмы. Фрагментация присуща микоплазмам, риккетсиям, актиномицетам. Почкование – это предварительное возникновение на материнской клетке шаровидных выпячиваний, которые в последующем увеличиваются и отделяются. Почкованием способны размножаться микоплазмы; у них же, наряду с фрагментацией, наблюдается поперечное деление. Бесполое спорообразование характерно для бактерий актиномицетов. При этом происходит фрагментация концевых отделов спороносцев с образованием бесполых спор, которые у некоторых актиномицетов могут быть подвижны и заключены в спорангии. Кроме спорообразования, актиномицеты способны размножаться дроблением и поперечным делением. Циклическое размножение наблюдается у облигатных внутриклеточных паразитических бактерий – хламидий. Они проходят своеобразный цикл размножения и развития. Проникнув в клетку путём эндоцитоза, хламидии или элементарные тельца в вакуолях клетки трансформируются в вегетирующие формы – инициальные, или ретикулярные тельца, потенциально способные к делению. После ряда делений они превращаются в промежуточные формы, дающие начало очередному поколению хламидий. Описанный цикл роста, размножения и развития длится 40-48 ч. Размножение бактерий на плотных питательных средах отличается стабильностью и специфическим проявлением. На плотных питательных средах бактерии образуют колонии, характеристика которых может быть сведена к следующим показателям: (1) форма профиля (плоские, выпуклые, неправильные, стелющиеся, ворсинчатые, игольчатые, шиповидные, зубчатые, врастающие в среду); (2) рисунок (вид сверху) – гладкие, шероховатые, узорчатые (паутинные, «кружевные», «мозговые», смешанные); (3) окраска (окрашенные, неокрашенные, цвет окраски); (4) форма края колонии (опущенный, ровный, неровный, волнистый, рваный, фестончатый, лопастный); (5) консистенция (слизистые, сухие, плёнчатые, комковатые, крошковатые, сметанообразные); (6) прозрачность (прозрачные, полупрозрачные, непрозрачные); (7) размер (очень маленькие, маленькие, большие, очень большие); (8) характер блеска (матовые, глянцевые). Генетически неоднородная популяция бактерий одного и того же вида может формировать колонии нескольких морфологических типов одновременно, например, R- и S-формы колоний. R-формы колоний (от англ. rough – грубый) большие, шероховатые, с неровным фестончатым краем. S-формы колоний (от англ. smooth – гладкий) маленькие, гладкие с ровным краем. R- и S-формы колоний образуют, например, различные биовары коринебактерий дифтерии. Признаки колоний видоспецифичны, но могут изменяться в зависимости от условий культивирования. Окраска колоний прокариот может включать весь спектр цветов или комбинацию цветовых гамм, что определяется пигментами бактерий. Пигменты защищают бактерии от действия ультрафиолетовых лучей, принимают участие в процессах дыхания, имеют антибиотические свойства. Пигменты классифицируют по цвету, химическому составу и растворимости. Используются при идентификации бактерий (табл. 1). Таблица 1 Классификация пигментов бактерий
Размножение бактерий в жидких питательных средах характеризуется незначительной специфичностью. В жидких питательных средах бактерии могут образовывать осадок, поверхностную плёнку, кольцо по стенкам сосуда на поверхности среды, равномерную суспензию (муть). При засеве бактерий в жидкие питательные среды с последующим периодическим определением числа клеток в 1 мл наблюдается фазная закономерность, представленная на рис. 7. В динамике изменений биомассы бактерий, культивируемых в жидкой питательной среде, выделяют несколько фаз: І – исходная стационарная фаза, составляет время от момента внесения бактерий в среду до начала их роста. Длительность фазы зависит от особенностей бактерий, их возраста и потенциальных возможностей, от качества среды и других факторов. Продолжительность её 1-2 ч. ІІ – лаг-фаза, или фаза задержки размножения, характеризуется увеличением частоты клеточного деления и нарастанием числа клеток. III – логарифмическая (экспоненциальная) фазаразмножения свидетельствует о максимальной постоянной скорости размножения бактерий и увеличении их численности в геометрической прогрессии. Длительность фазы 5-6 ч. IV – фаза отрицательного ускоренияхарактеризуется уменьшением скорости размножения бактерий, удлинением периода их генерации. Скорость размножения падает из-за истощения компонентов питательной среды, появления лимитирующих факторов роста, накопления продуктов обмена. Фаза составляет около 2 ч. V – максимальная стационарная фазаотражает динамическое равновесие между покоящимися, делящимися и отмирающими клетками. Длительность фазы 2 ч. VI – фаза ускорения гибели характеризует уменьшение клеток, в основном, за счёт аутолитических процессов. Она продолжается 3 ч. VII – фаза логарифмической гибели отражает максимальную постоянную скорость отмирания бактерий с последующим их аутолизом. Длительность фазы 5 ч. VIII – фаза уменьшения скорости отмирания характеризуется переходом оставшихся в живых особей в состояние покоя. Указанные фазы характерны для культуры бактерий, развивающейся в стационарных условиях, когда питательная среда в процессе культивирования не обновляется. Получаемые при этом культуры бактерий называются периодическими. Использование проточных питательных сред с постоянной концентрацией питательных веществ позволяет бактериям длительное время находиться в определённой фазе роста (экспоненциальной). Такие культуры бактерий называются непрерывными. Благодаря сохранению неизменённых условий среды непрерывная культура постоянно находится в наиболее желательной фазе роста, при которой обеспечивается максимальный выход биомассы (при получении вакцин) или биологически важных соединений (при получении антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот и т.п.). 7. Литература (последние 5 лет): - Основная: Медицинская микробиология, вирусология, иммунология / Под ред. проф. Л. Б. Борисова. Учебник. - М.: Медицина, 2010 - 528 с. Микробиология, вирусология и иммунология / для стоматологических факультетов // Учебник под ред. В.Н. Царёва – М., Практическая медицина. – 2009. – 580с. Руководство к практическим занятиям по микробиологии, иммунологии и вирусологии с иллюстрированными задачами // под ред. А.А. Воробьёва и В.Н. Царёва – М, МИА -2007. – 470с. Практикум по микробиологии. // Под ред. Меджидова М.М./Учебное пособие ЦКМС ДГМА.- Махачкала. – 2014.- 328с. Лекция по теме. Интернет ресурсы. Дополнительная литература: Медицинская микробиология, вирусология и иммунология: учеб. по дисциплине «Микробиология, вирусология и иммунология» для студентов, обучающихся по специальностям: 060101. 65 «Лечебное дело», 060103. 65 «Педиатрия», 060104. 65 «Медико-профилактическое дело» : в 2 т./ под ред. В.В. Зверева, М.Н. Бойченко. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. – Т. 2. – 477 с.: ил. + 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). Микробиология, вирусология и иммунология : учеб. пособие для студентов мед. вузов / под ред. В.Н. Царева. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. – 540 с. : ил. Коротяев, А.И. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология: учеб. для мед. вузов/ А.И. Коротяев, С.А. Бабичев ; под ред. А.И. Коротяева. – 3-е изд., испр. и доп. – СПб. : СпецЛит., 2002. – 580 с. :ил |