Физиология микроорганизмов ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИКРОБНОЙ КЛЕТКИ. - Белки. Это высокомолекулярные азотсодержащие органические соединения, молекулы которых построены из аминокислотных остатков, соединенных между собой ковалентными пептидными связями.
- Белки служат основным структурным компонентом всех клеточных мембран и выполняют различные функции - каталитическую, двигательную, транспортную, защитную, гормональную, запасную и др.
- Белки составляют 50 - 80 % сухого вещества микробов. Различают два основных класса: протеины и протеиды.
- Протеины, или простые белки (альбумины, глобулины, гистоны и др.), при гидролизе распадаются только на аминокислоты (тирозин, лейцин, триптофан и др.).
- Протеиды, или сложные белки, - соединения простых белков (протеинов) с небелковыми группами, нуклеиновой кислотой, полисахаридами, жироподобными и другими веществами. Отсюда различают нуклеопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды и др.
Белки Нуклеиновые кислоты - Представляют собой высокомолекулярные биологические полимеры, построенные из мононуклеотидов.
- Нуклеиновые кислоты в бактериальной клетке могут составлять от 10 до 30 % сухого вещества, в зависимости от вида бактерий и питательной среды.
РНК и ДНК Углеводы. - В бактериях они составляют 12 -18 % от сухого вещества. Это многоатомные спирты (сорбит, маннит, дульцит); полисахариды (гексозы, пентозы, гликоген, декстрин); моносахариды (глюкозы). Углеводы выполняют энергетическую роль в метаболитических процессах микробной клетки.
Липиды и липоиды. - Липиды - истинные жиры, липоиды - жироподобные вещества. Ряд микробов (риккетсии, дрожжи, микобактерии, грибы) содержат липиды в значительном количестве до 40 %. У микробов других групп количество липидов по сравнению с белками невелико - не более 3...7 %. Бактериальные липиды состоят из свободных жирных кислот (26...28 %), нейтральных жиров, восков и фосфолипидов.
- Липиды играют роль резервных веществ, и в ряде случаев могут быть использованы как исходные компоненты для синтеза белков. С ними связана кислотоустойчивость микобактерий. Они же существенно влияют на проницаемость клеточных мембран, формируют систему пограничных мембран, выполняющих различные функции по обеспечению метаболизма микробной клетки.
- Химический состав спирохет, актиномицетов, микоплазм, риккетсий, микроскопических грибов в основном сходен с таковым у бактерий.
Вода - Вода является основной составной частью бактериальной клетки-75-85 %.Соответственно сухое вещество составляет 15-25%.
- Часть воды находится в свободном состоянии, а часть- в связанном.
- Связанная вода является структурным растворителем. Свободная вода служит дисперсионной средой для коллоидов и растворителем для кристалических веществ, источником водородных и гидроксильных ионов.
Минеральные вещества - . Кроме органогенов в микробных клетках находятся так называемые зольные элементы - минеральные вещества, составляющие от 3 до 10 % сухого вещества. Среди них преимущественное значение имеет фосфор, который входит в состав нуклеиновых кислот, липидов, фосфолипидов. Сера содержится в аминокислотах, в метионине, цистине, цистеине. Магний обеспечивает активность ряда ферментов, например протеазы. Микробы без магния не способны проявлять протеолитические свойства. Железо необходимо для осуществления процессов дыхания и энергетического обмена. Кальций, натрий, калий, кремний, хлор тоже есть в микробных клетках. Наличие микроэлементов (молибден, кобальт, бор, марганец, цинк, медь, никель и др.) в микробах обязательно; они стимулируют процессы роста и размножения.
- Химические элементы образуют в микробных клетках различные органические соединения: белки, углеводы, липиды, витамины.
. ФЕРМЕНТЫ - Ферменты - это специфические органические катализаторы белковой природы. Ферменты, как белки, могут быть простыми и сложными. Уреаза, пепсин, трипсин, амилаза, рибонуклеаза - простые ферменты, а каталаза, дегидрогеназы, цитохромы, пируватдекарбоксилаза - сложные.
- Питание и дыхание в микробной клетке происходят с участием ферментов (энзимов), регулирующих скорость и специфичность обменных химических реакций, протекающих в микроорганизме. Ферменты синтезируются клетками и способны действовать, даже будучи выделенными из нее, что имеет большое практическое значение. Для них характерны термолабильность и высокая специфичность действия, например фермент лактаза гидролизует лактозу, но не действует на родственные дисахариды (мальтозу, целлобиозу).
- В микробной клетке может находится большое количество ферментов, например, у аспергилла до 50. Благодаря этому микроорганизмы в состоянии осуществлять одновременно ряд различных реакций в среде, где они находятся.
- Принято различать экзо- и эндоферменты.
- Экзоферменты не связаны со структурой протоплазмы, легко выделяются в субстрат (гидролитические ферменты), растворимы в питательной среде и проходят через бактериальные фильтры. Эти ферменты участвуют в основном в процессе питания: расщепляют сложные высокомолекулярные вещества (белки, крахмал, клетчатку и др.), т. е. подготавливают питательные вещества к усвоению их микробной клеткой.
- Эндоферменты прочно связаны с бактериальной клеткой и действуют только внутриклеточно, осуществляя дальнейшее разложение питательных веществ и превращение их в составные части клетки. К таким ферментам можно отнести, например, дегидрогеназы, оксидазы.
- В настоящее время известно более двух тысяч ферментов, которые выделили в шесть классов:
1. Оксидоредуктазы - - ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Они играют большую роль в процессах получения биологической энергии. К ним относятся дегидрогеназы
2. Трансферазы - - ферменты, катализирующие перенос отдельных радикалов, частей или целых атомных групп (не водорода) от одних соединений к другим. Например, ацетилтрансферазы
3. Гидролазы - - ферменты, катализирующие реакции гидролиза (расщепления) белков, жиров и углеводов с участием воды. Это протеолитические ферменты действующие на белки или пептиды.
4. Лиазы - - ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных химических групп с образованием двойных связей или присоединение отдельных групп или радикалов по двойным связям.
- К лиазам принадлежит фермент фруктозодифосфатлиаза, или альдолаза,
5. Изомеразы - - ферменты, осуществляющие превращение органических соединений в их изомеры.
6. Л и г азы (синтетазы) - - ферменты, катализирующие процессы синтеза связей за счет энергии распада АТФ.
МЕТАБОЛИЗМ - . Все реакции жизнеобеспечения, происходящие в микробной клетке и катализируемые ферментами, составляют обмен веществ, или метаболизм. Промежуточные или конечные вещества, образующиеся в соответствующей последовательности ферментативных реакций, в результате которых разрушается или синтезируется ковалентно-связанный скелет конкретной биомолекулы, называют метаболитами.
- В метаболизме микроорганизмов непрерывно осуществляются два противоположных, но взаимосвязанных процесса: анаболизм и катаболизм, т. е. обмен конструктивный и энергетический.
- Анаболизм - это обмен веществ, протекающий с поглощением свободной энергии при расходовании сравнительно небольшого объема питательного материала;
- катаболизм - процесс выделения свободной энергии, на что расходуется огромная масса питательного субстрата.
Питание микробов - По типу питания живые существа подразделяют на 2 группы:
- -голозойные и голофитные.
- Голозойный тип питания характерен для животных ( от высших до простейших), а голофитный- для микробов, так как они не имеют органов для принятия пищи и питательные вещества проникают через всю поверхность их тела.
- Различают несколько механизмов питания микробных клеток.
- Питательные вещества могут поступать из окружающей среды в микробную клетку через клеточную стенку, капсулу, слизистые слои и цитоплазматическую мембрану. Через эти же структуры выделяются и продукты обмена, т. е. не нужные и вредные для микроорганизмов вещества. В основе механизма такого питания лежит осмотическое явление, основанное на разнице концентрации питательных веществ в теле микроба и питательном растворе. Таким образом, вода и растворенные в ней питательные вещества поступают в микробную клетку. В результате биосинтеза в ней накапливается пластический материал коллоидной структуры (белки, углеводы и другие вещества), обусловливающий рост и размножение микроорганизма.
- Диффузия питательных веществ в клетку может осуществляться благодаря стереохимическому специфическому переносу питательных веществ. Каждый из этих процессов может протекать как активно, так и пассивно. При пассивной диффузии питательные вещества проникают с током жидкости в клетку только при условии, что проникаемое вещество способно растворяться в клеточной стенке бактериальной клетки. При активной диффузии наблюдается проникновение питательных веществ в бактериальную клетку в нерастворенном виде.
- При стереохимическом переносе питательных веществ роль переносчика выполняет белковый компонент - пермеаза.
- В норме у бактериальных клеток всегда коллоиды цитоплазмы благодаря постоянному притоку к клетке воды находятся в набухшем состоянии, в результате чего цитоплазма бывает плотно прижата к оболочке. Такое явление получило название тургора бактериальной клетки.
Плазмолиз - Морфологически плазмолиз характеризуется возникновением шарообразных светопреломляющих образований в теле клетки. У различных микроорганизмов плазмолиз проявляется не в одинаковой степени. К нему особенно устойчивы сенная бацилла, стафилококки, сарцины; легко подвергаются плазмолизу бактерии из группы пастерелл, эшерихий, сибиреязвенная бацилла, холерный вибрион и др.
Плазмоптиз - Противоположный плазмолизу процесс - плазмоптиз - происходит, если бактерии поместить в гипотонический раствор хлорида натрия или в дистиллированную воду. Вода проникает при этом в бактерийную клетку, цитоплазматическое вещество ее разбухает до крайних пределов и клетка приобретает форму шара. Плазмоптиз, как и плазмолиз, влечет за собой гибель бактерийной клетки.
- Типы питания микробов. Различают углеродное и азотное питаниe микроорганизмов. По типу углеродного питания микробы принято делить на аутотрофы и гетеротрофы.
- Аутотрофы, или прототрофы - микроорганизмы, способные воспринимать углерод из угольной кислоты (СО2) воздуха. К ним относятся нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др.
- Аутотрофы синтезируют воспринятую углекислоту в сложные органические соединения путем хемосинтеза, т. е. окислением химических соединений (аммиак, нитриты, сероводород и др.). Таким образом, аутотрофные микробы обладают способностью синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических, таких, как угольная кислота, аммиак, нитриты, сероводород и др. Поскольку такие микробы не нуждаются в органических соединениях углерода, входящего в состав тела живoтныx и человека, они не являются болезнетворными. Однако среди аутотрофов встречаются микробы, обладающие способностью усваивать углерод из СО2 воздуха и из органических соединений. Такие микробы определены как миксотрофы.
- Гетеротрофы в противоположность аутотрофным микробам используют углерод главным образом из любых готовых органических соединений.
- К гетеротрофам принадлежат возбудители различного рода брожений, гнилостные микробы, а также все болезнетворные микроорганизмы: возбудители туберкулеза, бруцеллеза, листериоза, сальмонеллеза, патогенные стафилококки, стрептококки, диплококки и ряда других инфекций.
- Гетеротрофы включают в себя две подгруппы: метатрофные и паратрофные микроорганизмы.
- Метатрофы, или сапрофиты живут за счет использования мертвых субстратов. Сапрофиты (от греч. sapros - гнилой, fuyton - растение) - гнилостные микробы. Паратрофы (от греч. parasitos - нахлебник) - паразиты, живущие на поверхности или внутри организма хозяина и питающиеся за его счет.
Фототрофные - Цианобактерии и пурпурные серобактерии относят к фотолитотрофам, нитрифицирующие бактерии - к хемолитотрофам и основную массу микроорганизмов - к хемоорганотрофам.
Дыхание - Биологический процесс, сопровождаемый окислением или восстановлением различных, преимущественно органических, соединений с последующим выделением энергии в виде АТФ, необходимой микробам для физиологических процессов жизнедеятельности
Биологическое окисление. - Биологическое окисление субстрата микроорганизмами происходит по типу прямого окисления или дегидрогенирования.
- Прямое окисление осуществляется с помощью путем непосредственного окисления веществ кислородом воздуха. Прямое окисление присуще большинству сапрофитных микроорганизмов.
- У некоторых микробов, поглощающих кислород, реакции окисления неполные, т. е. не доходят до получения конечного продукта — углекислоты. Примером такого неполного окислительного процесса служит дыхание уксуснокислых бактерий, у которых конечным продуктом окисления этилового спирта является не углекислота, а уксусная кислота.
Непрямое окисление - представляет собой реакцию дегидрогенирования и сопровождается одновременным переносом двух электронов, причем от субстрата отщепляются два протона (Н+).
Аэробное дегидрогенирование - происходит в присутствии кислорода и у таких микробов, как, например бацилл, акцептором водорода является кислород, в результате чего в зависимости от набора ферментов образуется вода или пероксид водорода. Для их целей у аэробных бактерий служат цитохромоксидаза и система геминовых ферментов-цитохромов.
- Анаэробное дегидрогенирование осуществляется в отсутствие молекулярного кислорода.
- Акцепторами водорода служат другие неорганические элементы, например соли азотной, серной кислот, углекислоты, которые превращаются при этом в более восстановленные соединения (аммиак, метан, сероводород).
РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ - Термин «рост» означает увеличение цитоплазматической массы отдельной клетки или группы бактерий в результате синтеза клеточного материала (например, белка, РНК, ДНК). Достигнув определенных размеров, клетка прекращает рост и начинает размножаться (рис. 8).
- Под размножением микробов подразумевают способность их к самовоспроизведению, увеличению количества особей на единицу объема. Иначе можно сказать: размножение — это увеличение числа особей
Деление - Бактерии размножаются преимущественно простым поперечным делением (вегетативное размножение) в различных плоскостях: новые клетки располагаются в виде кисти винограда — стафилококки, цепочки — стрептококки, соединения по парам — диплококки, пакеты — сарцины и др.
Фазы развития бактериальной популяции. - Общую закономерность роста и размножения бактериальной популяции представляют графически в виде кривой, которая отражает зависимость логарифма числа живых клеток от времени. Типичная кривая роста имеет S-образную форму и позволяет различать несколько фаз, следующих в определенной последовательности :
- I. Исходная (стационарная, латентная или фаза покоя). Представляет собой период от момента посева бактерий на питательную среду до их роста. В этой фазе число живых бактерий не увеличивается, а может даже уменьшиться. Продолжительность — 1-2 ч
- 2.Фаза задержки размножения. В этот период бактериальные клетки интенсивно растут, но слабо размножаются. Продолжительность около 2 ч.
- 3.Логарифмическая фаза. В этот период скорость размножения клеток и увеличение бактериальной популяции максимальны. Продолжительность — 5-6 ч.
- 4.Фаза отрицательного ускорения. Скорость размножения бактерий снижается, число делящихся особей уменьшается, а число погибших увеличивается. Продолжительность около 2 ч. Одна из возможных причин, замедляющих размножение бактерий, — истощение питательной среды, т. е исчезновение специфических веществ, необходимых для жизнеспособности данного вида.
- 5. Стационарная фаза максимума. Число новых бактерий почти равно числу отмерших, т. е. наступает равновесие между погибшими клетками и вновь образующимися. Продолжительность — 2 ч.
- 6. Фаза ускорения гибели. Прогрессивное превосходство числа погибших клеток над числом вновь нарождающихся. Продолжи тельность около 3 ч.
- 7. Фаза логарифмической гибели. Отмирание клеток происходит с постоянной скоростью. Продолжительность около 5 ч.
- 8.Фаза уменьшения скорости отмирания. Остающиеся в живых клетки переходят в состояние покоя.
- У грибов различают три типа размножения: вегетативное, бесполое и половое. При вегетативном размножении происходит отделение от мицелия его частей, которые, развиваясь, образуют новую грибницу. Кроме того, мицелий может фрагментироваться на артроспоры (оидии) и хламидоспоры.
- Артроспоры — короткие овальные клетки, образующиеся при распаде гиф, каждая из которых дает начало новой клетке. Хламидоспоры — споры вегетативного размножения грибов, покрытые толстой темноокрашенной оболочкой; образуются при распаде гиф на отдельные клетки. Этот тип размножения также может осуществляться путем почкования мицелия или отдельных клеток, например, у дрожжевых грибов.
- Наиболее распространено бесполое размножение при помощи спор.
- Созревшие конидии у грибов осыпаются; при созревании спорангиоспор спорангии лопаются и споры из них высыпаются. Попав в благоприятные условия, споры прорастают в гифы.
- При половом размножении грибов спорообразованию предшествует слияние гаплоидных мужских и женских гамет, в результате чего возникает зигота и наступает диплоидная фаза с полным (парным) набором хромосом. Половой процесс у разных групп грибов протекает различно и имеет свои особенности.
Колонии - . Спирохеты простейшие культивируют на питательных средах, содержащих нативные белки (сыворотка, кровь), кусочки свежих органов и тканей (почки кролика, печень, мозговая ткань), а также синтетических питательных средах из определенных аминокислот, минеральных веществ.
- Риккетсии (облигатные внутриклеточные паразиты) размножаются в клетках с пониженным метаболизмом. Их культивируют в куриных эмбрионах, на культуре клеток и ткани, а также в организме животных.
Патогенные грибы - как правило, культивируют на селективных средах слабокислой или кислой реакции (рН 6,8-4,5). Оптимальная температура культивирования 25-28 °С. Широко используют плотные среды Сабуро, пивное сусло-агар и др. Из жидких средств хорошо зарекомендовали себя сахарный бульон, пивное сусло, среда Чапека
Микоплазмы - Микоплазмы в силу своих структурных особенностей плохо адаптируются на питательных средах. На плотных питательных средах микоплазмы формируют характерные колонии, напоминающие яичницу-глазунью.
- Синтез микробных пигментов, фосфоресцирующих и ароматобра-зующих веществ.
- Микроорганизмы в процессе жизнедеятельности синтезируют красящие вещества — пигменты, придающие колониям бактериальных культур разнообразный цвет и оттенки, что учитывают при дифференциации микроорганизмов
- Различают красные пигменты (актиномицеты, дрожжи, грибы, «чудесная палочка»;
- желтые или оранжевые (микобактерии
- туберкулеза, сарцины, стафилококки);
- сине-зеленого цвета (синегнойная палочка);, бактерия синего молока ,
- фиолетовые ;
- черные (некоторые виды грибов, дрожжей, актиномицетов).
- Образование пигментов происходит в присутствии кислорода при комнатной температуре и освещении. Микроорганизмы, развиваясь на пищевых продуктах (молоко, сыр, мясо, рыба, масло, творог), изменяют их цвет.
Пигменты - Различают пигменты, растворимые в воде (синегнойная бактерия, бактерии сине-зеленого молока — пиоцианин, синцианин), в спирте (пигменты «чудесной» бактерии, стафилококков и сарцин — красный, золотистый, лимонно-желтый), нерастворимые ни в воде, ни в спирте (черные пигменты актиномицетов, грибов, азотобактера), выделяющиеся в окружающую среду (хромонарные), остающиеся в теле микроорганизмов (хромофорные).
- Физиологическое значение пигментов в жизнедеятельности микроорганизмов до конца не изучено. Точно установлено, что пигментообразующие микроорганизмы более резистентны к действию физико-химических и биологических факторов.
Светящиеся микроорганизмы (фотобактерии) - Вследствие окислительных процессов в бактериальной клетке обладают способностью свечения (люминесценции). Фотобактерии — строгие аэробы, при прекращении доступа кислорода свечение у них приостанавливается. Наблюдаемое в природе свечение гнилушек, старых деревьев, мяса, чешуи рыбы, термитов, муравьев, пауков, других предметов и объектов обусловлено наличием в них фотобактерий. Среди них встречаются кокки, вибрионы, некоторые грибы и бактерии. Они хорошо развиваются на обычных питательных средах, на рыбных и мясных субстратах при 15...37 °С..
Ароматобразующие микроорганизмы. - Обладают способностью вырабатывать ароматические вещества, например уксусно-этиловый и уксусно-амиловый эфиры, которые придают ароматические свойства винам, пиву, кисломолочным продуктам, сену, почве и т. д. Типичным представителем ароматобразующих бактерий является Leuconostoc cremoris, который широко используют при изготовлении кисломолочных продуктов.
|
Скачать 3.31 Mb.