Микробиология Борисов Л.В. Микробиология Борисов Л. Литература для студентов медицинских вузов
 Скачать 27.52 Mb.
|
Рис.3.11. Микоплазма. Электронная микроскопия. Ультратонкий срез Физиологические и биохимические особенности микроорганизмов положены в основу их систематики. Они важны для изучения механизмов патогенного действия, культивирования, дифференцировки и идентификации отдельных микроорганизмов, а также для разработки биотехнологии производства вакцин, антибиотиков и других биологически активных продуктов. МЕТАБОЛИЗМ Как известно, метаболизм представляет собой совокупность двух противоположных, но взаимосвязанных процессов — катаболизма, или энергетического метаболизма, и анаболизма, или пластического (конструктивного) метаболизма. У прокариот, также как у эукариот, в процессе ферментативных катаболических реакций происходит выделение энергии, которая аккумулируется в молекулах АТФ. В процессе ферментативных анаболических реакций эта энергия расходуется на синтез многочисленных макромолекул органических соединений, из которых в конечном итоге монтируются биополимеры — составные части микробной клетки. Взаимосвязь анаболизма и катаболизма выражается также в том, что на определенных этапах метаболизма образуются одинаковые промежуточные продукты (амфиболиты, которые используются в обоих процессах. Исходные соединения для анаболических и катаболических реакций. Питание Метаболизм микроорганизмов характеризуется ярко выраженным разнообразием. В качестве питательных веществ микробные клетки используют различные органические и минеральные соединения Источники углерода и типы питания. Все микроорганизмы по своей способности усваивать разнообразные источники углерода делятся на две группы — автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы лат. autos — сам, trophe — питание) синтезируют все углеродсодержащие компоненты клетки из С 0 2 как единственного источника углерода. Гетеротрофы (лат. heteros — другой, питающийся за счет других) не могут существовать только за счет ассимиляции С 0 2. Они используют разнообразные органические углеродсодержащие соединения — гексозы (глюкоза, многоатомные спирты, реже углеводороды. Многие микроорганизмы в качестве источника углерода используют аминокислоты, органические кислоты и другие соеди нения. Источники энергии и доноры электронов. В зависимости от источников энергии и природы доноров электронов микроорганизмы подразделяют на фототрофы (фотосинтезирующие, способные использовать солнечную энергию, их ем от ро ф ы (хемосинте- шрующие), получающие энергию за счет окислительно-восстанови- 1 ельных реакций. К фототрофам относятся исключительно сапрофитные микроорганизмы. В патологии человека ведущую роль играют хсмосинтезирующие микроорганизмы. В зависимости от природы доноров электронов хемотрофы подразделяются на хе молит от ро ф ы (хемоавтотрофы) их ем о орган от ро ф ы (хемогетеротрофы) (схема Тип питания: хемолитотрофы (хемоавтотрофы) хемоорганотрофы (хемогетеротрофы) Источник энергии: окислительно-восстановительные реакции Г Источник С: неорганические соединения органические соединения Доноры е: Н2, H2S, СН3, FeJ* и др. органические соединения Тип экологической связи: сапрофиты сапрофиты и паразиты С хе м а 4.1. Классификация хемосинтезирую щ их микроорганизмов по источникам энергии и углерода, донорам электронов, типам питания и экологическим связям Источник азота. Для синтеза азотсодержащих соединений (аминокислот, пуринов, пиримидинов, некоторых витаминов) микроорганизмы нуждаются в доступном источнике азота. Одни из них способны усваивать молекулярный азот из атмосферы (азотфиксирующие бактерии) или неорганический азот из солей аммония, нитратов или нитритов. Другие ассимилируют только азотсодержащие органические соединения. Микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, аминокислоты и др) из глюкозы и солей аммония, называются про тот ро фа ми. В отличие от них микроорганизмы, неспособные синтезировать какое-либо из указанных соединений, называют ау к сотр о фа ми. Они ассимилируют эти соединения и другие факторы роста в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина (человека, животного. Ауксотрофами чаще всего являются патогенные или условно-патоген ные для человека микроорганизмы. Кроме азота и углерода всем микроорганизмам для биосинтети ческих реакций необходимы соединения, содержащие фосфор, серу, а также ионы Mg, К, Са, Fe и другие микроэлементы. Факторы роста К факторам роста относят аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, липиды, витамины, железопорфирины (гем) и другие соединения. Некоторые микроорганизмы самостоятельно синтезируют необходимые им ростовые факторы, другие получают их в готовом виде из окружающей среды. Потребность того или другого микроорганизма в определенных ростовых факторах является стабильным признаком, который используется для дифференциации и идентификации бактерий, а также при изготовлении питательных сред для лабораторных и биотехнологических целей. Аминокислоты. Многие микроорганизмы, особенно бактерии, нуждаются в тех или других аминокислотах (одной или нескольких, поскольку они не могут их самостоятельно синтезировать, например клостридии — в лейцине, тирозине, стрептококки — в лейцине, аргинине и др. Такого рода микроорганизмы называются ауксотрофны- ми по тем аминокислотам или другим соединениям, которые они неспособны синтезировать. Пуриновые и пиримидиновые основания и их производные аденин, гуанин, цитозин, урацил, тимин и др) являются факторами роста для разных видов стрептококков, некоторые азотистые основания нужны для роста стафилококков и других бактерий. В нуклеотидах нуждаются некоторые виды микоплазм Липиды, в частности компоненты фосфолипидов — жирные кислоты, нужны для роста некоторых стрептококков, микоплазм. Все виды микоплазм ауксотрофны по холестерину и другим стеринам, что отличает их от других прокариот. Эти соединения входят в состав их цитоплазматической мембраны. Витамины, главным образом группы В, входят в состав коферментов или их простетических групп. Многие бактерии ауксотрофны по определенным витаминам. Например, коринебактерии дифтерии, шигеллы нуждаются в никотиновой кислоте или ее амиде, который входит в состав НАД и НАДФ, золотистый стафилококк, пневмококк, бруцеллы — тиамине (В, входящем в состав пирофосфата, некоторые виды стрептококков, бациллы столбняка — в пантотеновой кислоте, являющейся составной частью кофермента КоА и т.д. Кроме того, факторами роста для многих бактерий являются фолиевая кислота, биотина также гемы — компоненты цитохромов. Последние необходимы гемофильным бактериям, микобактериям туберкулеза и др. Транспорт питательных веществ В бактериальную клетку Микроорганизмы ассимилируют питательные вещества в виде небольших молекул, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры могут служить им источниками питания только после расщепления экзоферментами до более простых соединений. Метаболиты и различные ионы проникают в микробную клетку гремя путями) Пассивная диффузия. Протекает без энергетических затрат, по градиенту концентрации. Таким путем в клетку поступают НС) Облегченная диффузия. Не требует энергетических затрат. Протекает при участии мембранных белков-транслоказ. 3) Активный транспорт. Протекает с энергетическими затратами против градиента концентрации а) при участии специальных белков- пермеаз. При этом каждая пермеаза переносит в клетку определенное соединение, б) при участии мембранных белков-транслоказ и фосфорилировании переносимой молекулы в процессе ее прохождения через мембрану. Таким путем переносится глюкоза. Из бактериальной клетки Синтезируемые в бактериальных клетках соединения выходят из них тремя путями) Фосфотрансферазная реакция. Происходит при фосфорилировании переносимой молекулы 2) Контрансляционная секреция. В этом случае синтезируемые молекулы должны иметь особую лидирующую последовательность аминокислот, чтобы прикрепиться к мембране и сформировать канал, через который молекулы белка смогут выйти в окружающую среду. Таким образом выходят из клетки соответствующих бактерий токсины столбняка, дифтерии и другие молекулы) Почкование мембраны. Молекулы, образующиеся в клетке, окружаются мембранным пузырьком, который отшнуровывается в окружающую среду. Ферменты Микроорганизмы синтезируют разнообразные ферменты, которые принадлежат ко всем шести известным классам оксидоредук- тазам, трансферазам, лиазам, гидролазам, изомеразам и лигазам. Ферментный состав любого микроорганизма определяется его геномом и является достаточно стабильным признаком. Поэтому определение са- харолитических, протеолитических и других ферментов, образуемых определенными видами и даже вариантами бактерий, широко применяется для их идентификации. Вместе стем ряд ферментов (нейра- минидаза, гиалуронидаза, коагулаза и др) способствуют проявлению патогенных свойству возбудителей некоторых инфекционных заболеваний, поскольку субстратом их действия являются вещества, входящие в состав клеток и тканей организма человека см. Одни ферменты микроорганизмов локализуются в их цитоплазме, цитоплазматической мембране и периплазматическом пространстве, другие, например гидролазы, выделяются в окружающую среду. На этом основано деление ферментов на экзо- и эндоферменты. Функциональное назначение экзоферментов связано с расщеплением макромолекул в окружающей среде до более простых соединений, которые затем транспортируются в микробную клетку. Некоторые ферменты, локализованные в цитоплазме, функционируют независимо друг от друга, другие тесно связаны между собой, обеспечивая протекание метаболических реакций в определенной последовательности. Внутриклеточные ферменты, объединенные структурно и функционально, составляют мул ь тифе р мент н ы е комплексы, например ферменты дыхательной цепи, локализованные на цитоплазматической мембране. Ферменты, которые постоянно синтезируются в микробных клетках в определенных концентрациях, называют конститутивными. К ним относятся ферменты гликолиза. Ферменты, концентрация которых резко возрастает в зависимости от наличия соответствующего субстрата, называют инд у ц и бель н ы ми (индукция субстратом, К ним относятся ферменты транспорта и катаболизма лактозы — галактозидпермеаза, р-галактозидаза и галактози- дацетилтрансфераза, р-лактамаза — фермент, разрушающий пенициллин. В отсутствие субстрата они находятся в бактериальной клетке в следовых концентрациях, а при наличии соответствующего индуктора их количество резко возрастает. Функциональная активность ферментов и скорость ферментативных реакций зависят от условий, в которых находится данный микроорганизм и прежде всего от температуры среды и ее pH. Для многих патогенных микроорганизмов оптимальными являются температура Си. Пластический (конструктивный) метаболизм Синтез исходных продуктов происходит в цитоплазме бактериальных клеток. Затем они переносятся на наружную поверхность цитоплазматической мембраны, где начинается морфогенез, те. процесс образования определенных клеточных структур (капсула, клеточная стенка и др при участии ферментов. Биосинтез углеводов. Микроорганизмы синтезируют моно-, оли- го, полисахариды и другие соединения, в состав которых входят углеводы. Автотрофы синтезируют глюкозу из С 0 2. При этом С 0 2 является исходным продуктом для образования рибулозо-1,5-фосфата- 3-фосфорноглицериновой кислоты в цикле Кальвина (схема 4.2). Гетеротрофы синтезируют глюкозу из углеродсодержащих соедине- Автотрофы Гетеротрофы со , Рибулозофосфат фосфорно-глицери новая кислота Реакции гликолиза, идущие в обратном направлении с- с 3- соединения Глюкоза С хе м а 4.2. Биосинтез углеводов у микроорганизмов ний с длиной цепи С — СВ обоих случаях используются в основном реакции гликолиза, идущие в обратном направлении. В клетках прокариот, также как и эукариот, широко развита способность к взаимопревращениям сахаров, которые происходят за счет их нуклеозиддифосфопроизводных. Олиго- и полисахариды синтезируются путем присоединения остатков сахаров от нуклеозиддисаха- ров к акцепторной молекуле. Биосинтез аминокислот. Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты из пирувата, образующегося в гликоли- тическом цикле, из а-кетоглутарата и фумарата, образующихся в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК). Источниками энергии являются молекулы АТФ. При образовании аминокислот азот вводится в молекулу предшественника на последних этапах биосинтеза при помощи реакций аминирования и переаминирования (схема Переход неорганического азота в органический происходит через ионы аммония, которые включаются в состав органических соединений. Только несколько аминокислот (аланин, аспартат и L-глута- мат) образуются путем прямого аминирования, остальные путем переаминирования. Вместе стем многие прокариоты, также как эукариоты, могут получать аминокислоты из молекул белка, которые предварительно расщепляются ими с помощью протеаз и пептидаз. Образовавшиеся олигопептиды и аминокислоты переносятся в микробные клетки, где включаются в метаболические пути биосинтеза или подвергаются дальнейшему расщеплению Исходные соединения: Пируват а-кетоглуторат Фуморат I. В реакциях аминирования ионами NH4 образуются: Аланин Глютаминовая кислота Аспарат II. В реакциях переаминирования образуются: Пролин Аргинин Лизин Треонин Метионин С хе м а 4.3. Биосинтез аминокислоту прокариот Ауксотрофные по некоторым аминокислотам прокариоты (ряд патогенных бактерий, микоплазмы, спирохеты) потребляют их в готовом виде в организме хозяина. Хламидии и риккетсии, являющиеся облигатными внутриклеточными паразитами, имеют редуцированные метаболические пути. Однако они синтезируют ферменты, участвующие в утилизации готовых продуктов. Риккетсии также синтезируют часть аминокислот, которые затем включаются в белок, остальные потребляются ими из клетки хозяина. Биосинтез липидов. Липиды микроорганизмов представлены жирными кислотами, фосфолипидами, воском, терпенами, каротиноидами, которые содержат длинноцепочечные насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Важную роль в биосинтезе жирных кислоту микроорганизмов играют так называемые ацетилпереносящие белки. Входе биосинтеза к ним присоединяются ацильные фрагменты с образованием тиоэфиров. Последовательное удлинение этих фрагментов приводит в конечном счете к образованию высших жирных кислот, содержащих обычно 16-18 углеродных атомов. Некоторые бактерии синтезируют жирные кислоты, содержащие до 24-30 атомов углерода. Многие микроорганизмы синтезируют ненасыщенные жирные кислоты с двойными связями, которые формируются из соответствующих насыщенных кислот. У аэробов этот процесс требует присутствия кислорода. Микоплазмы, ауксотрофные по жирным кислотам, получают их в готовом виде из клеток хозяина или питательной среды. Центральную роль в биосинтезе фосфолипидов играет цитидин- фосфатглицерид, являющийся непосредственным предшественником фосфатидилглицерина, фосфатидилинозина и фосфатидилглицерофос- фата. Остальные фосфолипиды образуются путем ферментативных превращений этих соединений. Ионный обмен Для роста и размножения бактерий необходимы минеральные соединения — ионы NH4+, К, Mg2+ и др. Ионы аммония используются некоторыми бактериями для синтеза аминокислот, ионы калия — для связывания тРНК с рибосомами. Благодаря значительной внутриклеточной концентрации ионов калия в бактериях поддерживается высокое осмотическое давление. Ионы железа, магния выполняют роль кофактора в ряде ферментативных процессов. Они входят в состав цитохромов и других гемопротеидов. Для ряда патогенных и условно-патогенных бактерий (эшерихии, шигеллы и др) потребление железа в организме хозяина затруднено из-за его нерастворимости при нейтральных и слабощелочных значениях pH. Некоторые микроорганизмы вырабатывают специальные вещества си де ро форы, которые, связывая железо, делают его растворимыми транспортабельным. Бактерии активно ассимилируют из среды анионы SO2/ и Р 0 34+ для синтеза соединений, содержащих эти элементы серосодержащие аминокислоты, фосфолипиды и др. Энергетический метаболизм биологическое окисление) Для синтеза структурных компонентов микробной клетки и поддержания процессов жизнедеятельности наряду с питательными веществами требуется достаточное количество энергии. Эта потребность удовлетворяется за счет биологического окисления, в результате которого синтезируются молекулы АТФ. Мир микроорганизмов очень разнообразен. Некоторые из них могут получать энергию даже из минеральных соединений. Так, например, железобактерии получают энергию, выделяющуюся при непосредственном окислении ими железа (Fe2+ в Fe3+), которая используется для фиксации С 0 2, бактерии, метаболизирующие серу, обеспечивают себя энергией за счет окисления серосодержащих соединений. Однако подавляющее большинство прокариот получает энергию путем дегидрогенирования. А эр об ы для этой цели нуждаются в свободном кислороде. Облигатные (строгие) аэробы (например, некоторые виды псевдомо над) не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, поскольку они используют его в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются ими при окислительном фосфорилировании с участием цитохромоксидаз, флавинзависимых оксидаз и флавинзависимых дегидрогеназ. При этом, если конечным акцептором электронов является 0 2, выделяются значительные количества энергии (схема Анаэробы получают энергию при отсутствии доступа кислорода путем ускоренного, ноне полного расщепления питательных веществ. Облигатные анаэробы (например, возбудители столбняка, ботулизма) не переносят даже следов кислорода. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков и липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата (пировиноградной кислоты. При этом выделяется сравнительно небольшое количество энергии. Существуют факультативные анаэробы, которые могут расти и размножаться как в присутствии кислорода воздуха, таки без него. Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании 1 1 1 АТФ АТФ АТФ АТФ Обозначение : О - акцепторы электронов Примечание: Наряду с гликолизом микроорганизмы расщепляют глюкозу фос- фоглюконатным и кетодезоксифосфоглюконатным путями. Объяснения в тексте. С хе м а 4.4. Биологическое окисление у прокариот. Образование АТФ при окислении углеводов, жиров и белков. Получение энергии путем субстратного фосфорилирования. Брожение М икроорганизмы расщепляют гексозы (глюкозу) тремя путями — в гликолитическом, гексозомонофосфатном и 2-кето-З-дезок- си-6-глюконатном циклах. Гликолиз (путь Эмдена — М ейергофа). В результате расщепления глюкозы расходуется 2 и синтезируется 4 молекулы АТФ. Таким образом, общий выход составляет 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД Н (см. схему 4.4). Реакции фосфорилирования, непосредственно связанные с переносом фосфата с промежуточного продукта на АДФ, называются субстратным фосфорилированием. Для некоторых микроорганизмов акцептором электронов в цикле гликолиза могут быть нитраты или С 0 2. Дальнейшие пути превращения пирувата предопределяются метаболическими особенностями микроорганизмов. Для анаэробов брожение является способом получения энергии в результате окислительно-восстановитель ных реакций, в которых органические соединения функционируют как доноры и акцепторы электронов. В зависимости от образования конечных продуктов различают несколько типов брожения молочнокислое, спиртовое, муравьинокислое, пропионовокислое и др, каждое из которых вызывается соответствующими микроорганизмами. |