Курс лекций по общей микробиологии основам вирусологии двух частях
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
Глава 3 ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микроб-ных клеток, процессы их питания, дыхания, роста, размножения, законо-мерности взаимодействия с окружающей средой. 3.1. Химический состав прокариотной клетки Клетки прокариот содержат воду, белки, нуклеиновые кислоты, уг-леводы, липиды, минеральные вещества (табл. 6). Вода —основной компонент бактериальной клетки,составляющийоколо 70 - 90 % ее массы. Она находится в свободном или связанном со-стоянии со структурными элементами клетки. В спорах количество воды уменьшается до 18 - 20 %. Вода является растворителем для многих ве-ществ, а также выполняет механическую роль в обеспечении тургора. При плазмолизе - потере клеткой воды в гипертоническом растворе - происхо-дит отслоение протоплазмы от клеточной оболочки. Удаление воды из клетки, высушивание приостанавливают процессы метаболизма. Большин-ство микроорганизмов хорошо переносят высушивание. При недостатке воды они не размножаются. Высушивание в вакууме из замороженного со-стояния (лиофилизация) прекращает размножение и способствует дли-тельному сохранению микробных особей. Остальные компоненты состав-ляют 10 - 30 % сухой массы клетки. Белки определяют важнейшие биологические свойства бактерий исостоят обычно из сочетаний 20 аминокислот. В состав бактерий входит диаминопимелиновая кислота (ДАП), отсутствующая в клетках человека и животных. Бактерии содержат более 2000 различных белков, находящихся структурных компонентах и участвующих в процессах метаболизма. Большая часть белков обладает ферментативной активностью. Белки бак-териальной клетки обусловливают антигенность и иммуногенность, виру-лентность, видовую принадлежность бактерий. 59 Нуклеиновые кислоты бактерий выполняют функции,аналогичныефункциям нуклеиновых кислот эукариотических клеток: молекула ДНК в виде хромосомы отвечает за наследственность, рибонуклеиновые кислоты (информационная, или матричная, транспортная и рибосомная) участвуют биосинтезе белка. Бактерии можно характеризовать (таксономически) по содержанию суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в молярных процентах (мол. %) от общего количества оснований ДНК. Более точной характери-стикой микроорганизмов является гибридизация их ДНК. Основа метода гибридизации ДНК - способность денатурированной (однонитчатой) ДНК ренатурироваться, то есть соединяться с комплементарной нитью ДНК и образовывать двухцепочечную молекулу ДНК. Таблица 6 Химический состав E.coli (по Neidhardt, 1987 г.)
Углеводы бактерий представлены простыми веществами(моно-идисахариды) и комплексными соединениями. Полисахариды часто входят состав капсул. Некоторые внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.) являются запасными питательными веществами. 60 Липиды в основном входят в состав цитоплазматической мембраны ее производных, а также клеточной стенки бактерий, например наружной мембраны, где, кроме бимолекулярного слоя липидов, имеется ЛПС. Ли-пиды могут выполнять в цитоплазме роль запасных питательных веществ. Липиды бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицеридами. Наибольшее количество липидов (до 40 %) содержат мико-бактерии туберкулеза. Минеральные вещества бактерий обнаруживают в золе после сжи-гания клеток. В большом количестве выявляются фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний, а также микроэлементы (цинк, медь, ко-бальт, барий, марганец и др.). Они участвуют в регуляции осмотического давления, рН среды, окислительно-восстановительного потенциала, акти-вируют ферменты, входят в состав ферментов, витаминов и структурных компонентов микробной клетки. 3.2. Питание бактерий (конструктивный метаболизм прокариот) Образ жизни прокариот состоит в постоянном воспроизведении сво-ей биомассы. Совокупность протекающих в клетке процессов, обеспечи-вающих воспроизводство биомассы, называется обменом веществ, или ме-таболизмом. Клеточный метаболизм складывается из двух потоков реакций, имеющих разную направленность: энергетического и конструктивного ме-таболизмов. КОНСТРУКТИВНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ Конструктивный метаболизм (биосинтез,анаболизм)-цепь по-следовательных реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток; это процесс, связанный с потреблением свободной энергии, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединениях. Метаболические пути конструктивной и энергетической направлен-ности состоят из множества последовательных ферментативных реакций и могут быть разделены на три этапа: На начальном этапе воздействию подвергаются молекулы, слу-жащие исходными субстратами. Иногда эту часть метаболического пути называют периферическим метаболизмом, а ферменты, катализирующие первые этапы превращения субстрата, - периферическими; 61 Последующие превращения включают ряд ферментативных реак ций и приводят к образованию промежуточных продуктов, или метаболи тов, а сама цепь превращений объединяется под названием промежуточно го метаболизма; На последних этапах образуются конечные продукты конструк тивных путей, которые используются для построения вещества клеток, а конечные продукты энергетических путей выделяются в окружающую среду. Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке од-новременно. У большинства прокариот они тесно связаны между собой. Однако у некоторых прокариотных организмов можно выделить последо-вательности реакций, служащих только для получения энергии или только для биосинтеза. Связь между конструктивными и энергетическими про-цессами прокариот осуществляется по нескольким каналам. Основной из них - энергетический. Определенные реакции поставляют энергию, необ-ходимую для биосинтезов и других клеточных энергозависимых функций. Биосинтетические реакции, кроме энергии, нуждаются часто в по-ступлении извне восстановителя в виде водорода (электронов), источни-ком которого служат также реакции энергетического метаболизма. И на-конец, тесная связь между энергетическими и конструктивными процесса-ми проявляется в том, что определенные промежуточные этапы и метабо-литы обоих путей могут быть одинаковыми (хотя направленность потоков реакций, относящихся к каждому из путей, различна). Это создаѐт возмож-ности для использования общих промежуточных продуктов в каждом из метаболических путей. Промежуточные соединения такой природы пред-ложено называть амфиболитами, а промежуточные реакции, одинаковые для обоих потоков, - амфиболическими. Метаболизм прокариот отличается чрезвычайным разнообразием, которое есть результат способности этих форм жизни использовать в каче-стве источников энергии и исходных субстратов для построения веществ тела самый широкий набор органических и неорганических соединений. Такая способность обусловлена различиями в наборе клеточных перифе-рических ферментов, воздействующих на исходные субстраты и видоиз-меняющих их молекулы в направлении, позволяющем им далее метаболи-зироваться по каналам промежуточного метаболизма. Промежуточный ме-таболизм прокариот не отличается существенным разнообразием от пери- 62 ферического метаболизма эукариот, хотя по сравнению с ним состоит из большего числа вариантов. Мономеры, необходимые для построения основных клеточных ком-понентов, могут быть синтезированы клеткой или поступать в готовом ви-де из среды. Чем больше готовых соединений должен получать организм извне, тем ниже уровень его биосинтетических способностей, так как хи-мическая организация всех свободноживущих форм одинакова. ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ Особенности питания бактериальной клетки состоят в поступлении питательных субстратов внутрь через всю ее поверхность, а также в высо-кой скорости процессов метаболизма и адаптации к меняющимся условиям окружающей среды. Широкому распространению бактерий способствует разнообразие типов питания. Микроорганизмы нуждаются в углероде, азоте, сере, фос-форе, калии и других элементах. Источники углерода. В конструктивном метаболизме основная роль принадлежит углероду, поскольку все соединения, из которых построены живые организмы, - это соединения углерода. Их известно около миллио-на. Прокариоты способны воздействовать на любое известное углеродное соединение, то есть использовать его в своем метаболизме. В зависимости от источника углерода для конструктивного метаболизма все прокариоты делятся на две группы: автотрофы, к которым принадлежат организмы, способные синтезировать все компоненты клетки из углекислоты (ауто-трофными бактериями являются нитрифицирующие бактерии, находящие-ся в почве; серобактерии, обитающие в воде с сероводородом; железобак-терии, живущие в воде с закисным железом, и др.) и гетеротрофы, для ко-торых источником углерода служат органические соединения. Понятия «авто-» и «гетеротрофия» характеризуют, таким образом, тип конструктивного метаболизма. Если автотрофия - довольно четкое и узкое понятие, то гетеротрофия - понятие весьма широкое и объединяет организмы, резко различающиеся своими потребностями в питательных веществах. Наибольшая степень гетеротрофности присуща прокариотам, отно-сящимся к облигатным внутриклеточным паразитам (от греч. parasitos нахлебник), то есть организмам, которые могут жить только внутри дру-гих живых клеток, например, риккетсии, вирусы и некоторые простейшие. 63 Они являются патогенными для растений, животных и человека. Парази-тический образ жизни привел к редукции некоторых метаболических пу-тей у этих прокариот, что и обусловило полную их зависимость от метабо-лизма клетки хозяина. Факультативными паразитами (или условно-патогенными)назы-вают формы прокариот, способные расти при создании подходящих усло-вий вне клетки хозяина. Следующую крупную группу прокариот составляют гетеротрофы, утилизирующие органические остатки отмерших организмов в окружаю-щей среде, их называют сапрофитами. Термин «сапрофиты» происходит от греческих слов sapros - гнилой и phyton - растение. Сапрофиты используют продукты жизнедеятельности других орга-низмов или разлагающиеся растительные и животные ткани. К сапрофитам относится большая часть бактерий. Степень требовательности к субстрату сапрофитов весьма различна. В эту группу входят организмы, которые могут расти только на достаточно сложных субстратах (молоко, трупы жи-вотных, гниющие растительные остатки), то есть им нужны в качестве обя-зательных элементов питания углеводы, органические формы азота в виде набора аминокислот, пептидов, белков, все или часть витаминов, нуклео-тиды или готовые компоненты, необходимые для синтеза последних (азо-тистые основания, пятиуглеродные сахара). Чтобы удовлетворить потреб-ность этих гетеротрофов в элементах питания, их обычно культивируют на средах, содержащих мясные гидролизаты, автолизаты дрожжей, расти-тельные экстракты, молочную сыворотку. Есть прокариоты, требующие для роста весьма ограниченное число готовых органических соединений в основном из числа витаминов и ами-нокислот, которые они не в состоянии синтезировать сами, и, наконец, ге-теротрофы, нуждающиеся только в одном органическом источнике угле-рода. Им может быть какой-либо сахар, спирт, кислота или другое угле-родсодержащее соединение. Так, бактерии из рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода и энергии лю-бое из 200 различных органических соединений, и есть бактерии, для ко-торых таким источником может служить узкий круг довольно экзотиче-ских органических веществ. Например, Bacillus fastidiosus может исполь-зовать только мочевую кислоту и продукты ее деградации, а некоторые представители рода Clostridium растут только в среде, содержащей пури- 64 ны. Использовать другие органические субстраты для роста они не могут. Биосинтетические способности этих организмов развиты в такой степени, что они сами могут синтезировать все необходимые им углеродные соединения. Особую группу гетеротрофных прокариот, обитающих в водоемах, составляют олиготрофные бактерии, способные расти при низких кон-центрациях в среде органических веществ. Организмы, предпочитающие высокие концентрации питательных веществ, относят к копиотрофам. Термины происходят от греческих слов oligos - малый, сорiosus - изоби-лие и trорhе - пища Если у типичных копиотрофов оптимальные условия для роста соз-даются при содержании в среде питательных веществ в количестве при-мерно 10 г/л, то для олиготрофных организмов - в пределах 1 - 15 мг угле-рода/л. В средах с более высоким содержанием органических веществ та-кие бактерии, как правило, расти не могут и погибают. Различия между ге-теротрофными прокариотами с высокими потребностями в готовых орга-нических соединениях и теми, потребности которых минимальны и сво-дятся, как правило, к одному какому-нибудь органическому источнику уг-лерода, заключаются, таким образом, в степени развития их биосинтетиче-ских способностей. Крайняя степень развития биосинтетических способ-ностей - возможность строить все клеточные компоненты из углекислоты - присуща группе автотрофных прокариот. Как можно видеть из изложенного выше, в мире прокариот не суще-ствует резкой границы между авто- и гетеротрофными организмами, так же как нет ее в ряду одноуглеродных соединений (СО2, СО, НСООН, НСНО, СН3ОН, СН4), каждое из которых может служить источником угле-рода для определенной группы прокариот. Однако использование термина «автотрофия» удобно для обозначения конкретного типа конструктивного метаболизма, поскольку в процессе эволюции он оказался специфически связанным с определенными видами энергетических процессов, что приве-ло к появлению у прокариот таких типов жизни, которые отсутствуют у более высокоорганизованных форм. зависимости от окисляемого субстрата, называемого донором электронов или водорода, микроорганизмы делятся на две группы: лито-трофы (от греч.lithos -камень),использующие в качестве доноров водо-рода неорганические соединения, и органотрофы, использующие органи-ческие соединения. 65 Учитывая источник энергии, среди бактерий различают фототрофы, то есть фотосинтезирующие (например, сине-зеленые водоросли, исполь-зующие энергию света), и хемотрофы, нуждающиеся в химических источ-никах энергии. |