Питание и размножение бактерий. 4. Питание и размножение бактерий. Физиология бактерий

• Название: Физиология бактерий
• Анкор: Питание и размножение бактерий
• Дата: 19.10.2022
• Размер: 197.5 Kb.
• Имя файла: 4. Питание и размножение бактерий.doc
• Тип: Задача; #741504
• страница: 1 из 3

Тема: «Физиология бактерий»

1. 
   Учебные цели занятия: (перечислить 3-5 наиболее значимых учебных целей занятия).
   

• 
  Ознакомить студентов с физиологией бактерий;
  
• 
  Знать типы питания бактерий;
  
• 
  Знать типы дыхания бактерий;
  
• 
  Иметь представление о стерилизации, дезинфекции, асептике и антисептике, способах стерилизации и дезинфекции лабораторной посуды и лечебного инструментария.
  

2. 
   План занятия: (перечислить конкретные вопросы).
   

1. 
   Физико-химические свойства бактерий.
   
2. 
   Общая характеристика метаболизма бактерий.
   
3. 
   Питание бактерий.
   
4. 
   Дыхание бактерий (энергетический метаболизм).
   

3. 
   Технические средства обучения (мультимедийный проектор, видеоаппаратура, ноутбук, таблицы, плакаты, интерактивная доска и др.)
   
4. 
   Методы активизации студентов во время изложения лекционного материала: (на усмотрение лектора – проблемные ситуации, клинические примеры, ситуационные задачи, анализы крови и др.).
   

Задача №1.

В бактериологической лаборатории проводится исследование питьевой воды. Микробное число около 100. Какие микроорганизмы учитывались при этом?

A *Все бактерии, которые выросли на питательной среде

B Бактерии группы кишечной палочки

C Бактерии, патогенные для человека и животных

D Условно-патогенные микроорганизмы

E Энтеропатогенные бактерии и вирусы

Задача №2.

При исследовании воздуха в палате микробное число составило 1500 клеток/м3. Какие группы микроорганизмов учитывались при этом?

A Все бактерии, которые выросли на питательной среде

B Бактерии и вирусы – возбудители респираторных инфекций

C Стафилококки и гемолитический стрептококки

D Возбудители госпитальных инфекций

E Все патогенные и условно-патогенные бактерии

Задача №3.

Патогенные бактерии в организме хозяина способны фиксироваться на поверхности клетки. Какие структуры бактериальной стенки обуславливают адгезивность возбудителя?

A * Микроворсинки (пили)

B Капсула

C Жгутики

D Мезосомы

E Гранулы волютина

Задача №4.

Из исследуемого материала больного выделили чистую культуру бактерий. На каких питательный средах проводят идентификацию возбудителя по ферментативным свойствам?

A * Среда Гисса

B Среда Плоскирева

C Среда Эндо

D Среда Левина

E Среда Вильсон-Блера

Задача №5.

С целью проверки качества дезинфекции в стоматологическом кабинете были взяты смывы с поверхностей оборудования. На какую питательную среду следует засеять этот материал для обнаружения бактерий кишечной группы?

A *Среда Эндо

B МПА

C ЖСА

D Среда Сабуро

E Среда Клауберга

5. Содержание материала занятия (тезисы, полный текст, распечатки мультимедийных презентаций и т.д.)

Физиология – раздел микробиологии, изучающий функции клеток микроорганизмов. Предметом изучения физиологии являются питание, метаболизм, рост и размножение микроорганизмов, их отношение к факторам окружающей среды и пр. Физиология даёт представление о взаимосвязи структуры и функции клеток, о закономерностях их жизнедеятельности. Знания физиологии микроорганизмов являются научной базой для решения вопросов культивирования, идентификации прокариот и эукариот, промышленного получения биологических препаратов (вакцин, эубиотиков, антибиотиков, аминокислот, ферментов, витаминов и т.д.).

1. Физико-химические свойства бактерий.

Наряду с размерами, бактерии обладают рядом физико-химических свойств, знание которых существенно для создания оптимальных условий культивирования микроорганизмов и их идентификации.

Для разных видов бактерий характерен определённый показатель преломления света. В жидкостях с показателем преломления, тождественным этому же показателю исследуемого вида бактерий, при световой микроскопии соответствующие бактерии становятся невидимыми. Принцип темнопольной микроскопии основан на разнице показателей преломления среды и микроорганизмов.

Удельный вес бактериальных клеток составляет, в среднем, 1,147. Удельный вес бактерий видоспецифичен, варьирует в зависимости от состава среды и возраста бактериальной клетки. Удельный вес молодых клеток меньше, чем у старых.

Вязкость цитоплазмы бактерий вариабельна и превышает вязкость воды в 10-800 раз. Внешние факторы – температура, рН, концентрация солей – значительно изменяют вязкость цитоплазмы. Молодые бактерии обладают меньшей вязкостью, чем старые клетки. Повышение вязкости ведёт к увеличению окрашиваемости бактериальных клеток.

Бактерии обладают эластичностью, вследствие чего способны подвергаться временным деформациям под влиянием различных препятствий и возвращаться к нормальной форме после прекращения действия, оказываемого причинным фактором. Бактерии весьма резистентны к давлению, к напряжению и скручиванию. Сальмонеллы, например, утрачивают способность размножаться лишь после воздействия давлением 5 атмосфер. Бактерии-борофилы способны выдерживать давление 700-20000 атмосфер.

Осмотическое давление у бактерий в 2 раза меньше, чем у животных клеток. В молодых клетках грамотрицательных бактерий оно достигает 20-25 атмосфер, в старых – 2-3 атмосферы. Гипертонические и гипотонические растворы, изменяя внутриклеточное осмотическое давление, способны вызвать обезвоживание и деформации бактерий либо их набухание и разрыв. Галофильные бактерии адаптированы к существованию в весьма высоких концентрациях соли (28 % NaCl). Эти данные используются в практике приготовления питательных сред, которые должны быть изотоническими. Гипертонические питательные среды используются для выявления галофильных бактерий, например, стафилококков.

Проницаемость бактериальных оболочек характеризуется выраженной избирательностью. Эта способность позволяет бактериям препятствовать проникновению вредных веществ внутрь клетки, адсорбировать питательные вещества и экскретировать продукты метаболизма. Проницаемость более высока у молодых клеток и зависит от состава окружающей среды. Проницаемость клеточных оболочек для ряда веществ (калий, глюкоза, аминокислоты и пр.) является комплексным процессом, что следует учитывать при приготовлении питательных сред. В целом, проницаемость бактериальной клетки выше, чем у животных.

Электрический заряд бактерий. В растворах с нейтральным значением рН подавляющее большинство бактерий (стафилококки, микобактерии, шигеллы, бруцеллы, сальмонеллы, стрептококки, коринебактерии и др.) обладают отрицательным зарядом. Напротив, спирохеты имеют положительный электрический заряд. Значительное влияние на электрический потенциал бактерий оказывает в окружающей среде концентрация ионов. Добавление в среду кислот или катионов снижает электрический заряд бактерий до 0, вследствие чего происходит спонтанная флоккуляция клеток (флоккуляция – это вид иммунопреципитации, при которой преципитат имеет вид хлопьев). Электрический заряд поверхности бактерий обусловливает их тинкториальные особенности, объясняет действие детергентов и имеет практическое значение для промышленного осаждения бактериальной массы.

Смачиваемость бактерий. Установлено, что грамотрицательные бактерии обладают значительно большим числом гидрофильных групп (-ОН, -Н₂N, -SO₃, -COOH, -NH₃, =C=O), расположенных на поверхности клетки. Наименьшим числом гидрофильных групп обладают кислотоустойчивые бактерии и споры. У них имеет место избыток гидрофобных неполюсных отталкивающих воду групп: -CH₃, -С₆Н₅ и др. Эта физико-химическая особенность лежит в основе тинкториальных свойств бактерий.

2. Общая характеристика метаболизма бактерий.

Жизненная стратегия бактерий состоит в постоянном воспроизведении своей биомассы за счёт интенсивного метаболизма (обмена веществ). Клеточный метаболизм складывается из 2 потоков реакций разной направленности: конструктивного и энергетического метаболизма. Конструктивный метаболизм (анаболизм) – поток реакций, в результате которых за счёт поступающих извне веществ образуется вещество клетки. Этот процесс связан с потреблением свободной энергии, запасённой в химической форме в молекулах АТФ или других макроэргических соединениях. Энергетический метаболизм (катаболизм) – это поток реакций, сопровождающийся разрушением веществ, высвобождением энергии, преобразованием её в химическую (АТФ) или электрохимическую форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах.

Метаболические пути конструктивной и энергетической направленности состоят из множества последовательных ферментативных реакций и могут быть разделены на 3 этапа: (1) периферический метаболизм (превращение субстрата под действием экзоферментов микроорганизмов; (2) промежуточный метаболизм (ряд ферментативных реакций, приводящих к образованию промежуточных продуктов – метаболитов); (3) конечный метаболизм (использование конечных продуктов конструктивного метаболизма для построения вещества клеток и выведение в окружающую среду конечных продуктов энергетических путей). Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке одновременно и тесно связаны между собой. В результате такой взаимосвязи образуются амфиболиты – промежуточные соединения, которые могут быть использованы в каждом из метаболических путей.

Метаболизм прокариот отличается большим разнообразием, что проявляется в использовании в качестве источников исходных субстратов и энергии самого широкого набора органических и неорганических веществ. Такая способность обусловлена различиями в наборе клеточных экзоферментов, воздействующих на исходные субстраты и видоизменяющих их молекулы в направлении, позволяющем им далее метаболизировать по каналам промежуточного метаболизма. Промежуточный метаболизм бактерий не отличается значительным разнообразием, хотя и более вариабелен, чем у прокариот.

3. Питание бактерий.

Питание. Под питанием бактериальной клетки следует понимать процесс поглощения и усвоения пластического материала и энергии в результате преобразовательных реакций. Типы питания прокариот сложны и разнообразны. Они различаются в зависимости от способа поступления питательных веществ внутрь бактериальной клетки, источников углерода и азота, способа получения энергии, природы доноров электронов.

По способу поступления питательных веществ бактерии подразделяются на голофиты и голозои. Бактерии-голофиты (от греч. holos– полноценный и phyticos – относящийся к растениям) неспособны выделять в окружающую среду ферменты, расщепляющие субстраты, вследствие чего потребляют питательные вещества исключительно в растворённом, молекулярном виде. Бактерии-голозои (от греч. holos– полноценный и zoikos – относящийся к животным), напротив, имеют комплекс экзоферментов, которые обеспечивают внешнее питание – расщепление субстратов до молекул вне бактериальной клетки. После этого молекулы питательных веществ поступают внутрь бактерий-голозоев.

По источнику углерода среди бактерий выделяют автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы (от греч. autos – сам, trophe – пища) в качестве источника углерода используют углекислый газ (СО₂), из которого синтезируют все углеродсодержащие вещества. Для гетеротрофов (от греч. geteros – другой и trophe – пища) источником углерода являются различные органические вещества в молекулярной форме (углеводы, многоатомные спирты, аминокислоты, жирные кислоты). Наибольшая степень гетеротрофности присуща прокариотам, которые могут жить только внутри других живых клеток (например, риккетсии и хламидии).

По источнику азота прокариоты подразделяются на 3 группы: 1) азотфиксирующие бактерии (усваивают молекулярный азот из атмосферного воздуха); 2) бактерии, потребляющие неорганический азот из солей аммония, нитритов или нитратов; 3) бактерии, которые ассимилируют азот, содержащийся в органических соединениях (аминокислоты, пурины, пиримидины и др.).

По источнику энергии бактерии делят на фототрофы и хемотрофы. Бактерии-фототрофы, как и растения, способны использовать солнечную энергию. Фототрофные прокариоты заболеваний у человека не вызывают. Бактерии-хемотрофы получают энергию при окислительно-восстановительных реакциях.

По природе доноров электронов бактерии-хемотрофы подразделяются на литотрофы (от греч. litos – камень) и органотрофы. У литотрофов (хемолитотрофов) в качестве доноров электронов выступают неорганические вещества (Н₂, Н₂S, NH₃, сера, CO, Fe²⁺ и др.). Донорами электронов у органотрофов (хемоорганотрофов) являются органические соединения – углеводы, аминокислоты и др.

Большинство патогенных для человека бактерий обладает хемоорганотрофным (хемогетеротрофным) типом питания; реже встречается хемолитотрофный (хемоавтотрофный) тип.

По способности синтезировать органические соединения бактерии-хемотрофы подразделяются на прототрофы, ауксотрофы и гипотрофы. Бактерии-прототрофы синтезируют из глюкозы и солей аммония все необходимые органические вещества. Бактерии называются ауксотрофами, если они неспособны синтезировать какое-либо органическое вещество из указанных соединений. Крайняя степень утраты метаболической активности называется гипотрофией. Гипотрофные бактерии обеспечивают свою жизнедеятельность, реорганизуя структуры или метаболиты хозяина.

Кроме углерода и азота, для полноценной жизнедеятельности бактериям необходимы сера, фосфор, ионы металлов. Источниками серы являются аминокислоты (цистеин, метионин), витамины, кофакторы (биотин, липоевая кислота и др.), сульфаты. Источниками фосфора служат нуклеиновые кислоты, фосфолипиды, фосфаты. В достаточно высоких концентрациях бактериям нужны магний, калий, кальций, железо; в значительно меньших – цинк, марганец, натрий, молибден, медь, никель, кобальт.

Факторы роста – это вещества, которые бактерии самостоятельно синтезировать не могут, но крайне в них нуждаются. В качестве факторов роста могут выступать аминокислоты, азотистые основания, витамины, жирные кислоты, железопорфирины и другие соединения. Для создания оптимальных условий жизнедеятельности бактерий факторы роста должны быть добавлены в питательные среды.

Транспорт питательных веществ внутрь клетки может осуществляться 3 механизмами: пассивной диффузией, облегчённой диффузией и активным транспортом.

Пассивная диффузия является неспецифическим энергозависимым процессом, осуществляемым по градиенту концентрации веществ (вещество из среды с большей своей концентрацией пассивно, согласно законам осмоса, поступает в среду с меньшей концентрацией). Пассивной диффузией внутрь бактериальной клетки поступает ограниченное количество веществ, некоторые ионы, моносахара. Скорость переноса веществ при пассивной диффузии незначительна и зависит от липофильности и размеров транспортирующихся молекул.

Облегчённая диффузия представляет собой энергонезависимый транспорт веществ по градиенту концентрации при помощи ферментов пермеаз. Пермеазы – это специфические мембранные белки, способствующие прохождению веществ через цитоплазматическую мембрану. Пермеаза фиксирует на себе молекулу переносимого вещества, вместе с которым пеодолевает цитоплазматическую мембрану, после чего комплекс «вещество – пермеаза» диссоциирует. Освободившаяся пермеаза используется для проведения других молекул. У прокариотов облегчённой диффузией внутрь клетки поступает только глицерин. При этом внутриклеточная концентрация глицерина соответствует таковой вне клетки. Облегчённая диффузия наиболее характерна для микроорганизмов-эукариот.

Активный транспорт – это энергозависимый перенос веществ внутрь клетки против градиента концентрации при помощи специфических ферментов. Активным транспортом в бактериальную клетку поступает подавляющее большинство веществ (ионы, углеводы, аминокислоты, липиды и др.). Активный транспорт может осуществляться: (1) без химической модификации переносимого вещества; (2) с химической модификацией.

В первом случае молекула питательного вещества образует комплекс с белком периплазматического пространства, который взаимодействует со специфической пермеазой цитоплазматической мембраны. После энергозависимого проникновения через цитоплазматическую мембрану комплекс «субстрат – белок периплазмы – пермеаза» диссоциирует с освобождением молекулы субстрата.

При активном транспорте с химической модификацией переносимого вещества цепь событий включает: (1) фосфорилирование мембранного фермента-2 со стороны цитоплазмы фосфоенолпируватом; (2) связывание на поверхности цитоплазматической мембраны фосфорилированным ферментом-2 молекулы субстрата; (3) энергозависимый транспорт молекулы субстрата в цитоплазму; (4) перенос фосфатной группы на молекулу субстрата; (5) диссоциация комплекса «субстрат – фермент» в цитоплазме. За счёт фосфорилирования молекулы субстрата аккумулируются в цитоплазме клеток и не способны выйти из них.

Ферменты (от лат. fermentum – закваска) или энзимы (от греч. enzyme – дрожжи или закваска) – специфические белки, выполняющие роль биологических катализаторов химических реакций. Ферменты значительно ускоряют последние, не расходуясь при этом и не входя в состав конечных продуктов. Ферменты в клетках находятся в очень малых концентрациях, но все они обладают высокими числами оборачиваемости, которые указывают на то, что молекула фермента может катализировать следующие одна за другой реакции тысяч молекул субстрата в минуту. Каждый фермент катализирует только 1 реакцию, что обусловливает специфичность фермента. Активность ферментов зависит от температуры, рН и других факторов. У микроорганизмов обменные процессы протекают с помощью ферментов, набор которых генетически детерминирован и специфичен для каждого вида.

Микроорганизмы располагают ферментами, относящимися ко всем 6 известным классам: (1) оксидоредуктазы – окислительно-восстановительные ферменты, переносящие электроны (к ним относятся дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы, каталазы); (2) трансферазы – переносят отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим; (3) гидролазы – ускоряют реакции гидролиза, то есть расщепление веществ на более простые с присоединением молекулы воды (фосфатазы, эстеразы, глюкозидазы и др.); (4) лиазы – катализируют реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции таких групп; (5) изомеразы – превращают химические вещества в их изомеры (рацемазы, эпимеразы, цис-транс-изомеразы и др.); (6) лигазы (синтетазы) – катализируют реакции соединения 2 молекул (глютаминсинтетаза, аспарагинсинтетаза и др.).

Ферменты микроорганизмов подразделяют на экзоферменты и эндоферменты. Экзоферменты представлены преимущественно гидролазами, которые способны поступать в окружающую среду, где вызывают расщепление различных субстратов до молекулярной формы. Эндоферменты постоянно находятся внутри клетки: в цитоплазме, на цитоплазматической мембране в периплазматическом пространстве. Часть эндоферментов функционирует автономно, тогда как другая часть может составлять мультиферментные комплексы, например, ферменты дыхательной цепи, локализованные на цитоплазматической мембране.

Ферменты, концентрация которых в клетках микроорганизмов поддерживается независимо от условий среды на строго определённом уровне, называются конститутивными (например, ферменты гликолиза). Ферменты, концентрация которых значительно увеличивается при наличии соответствующего субстрата, называются индуцибельными. При отсутствии субстрата такие ферменты находятся в клетке в следовых количествах (например, β-галатозидаза, β-лактамаза). Репрессибельными называются ферменты, синтез которых блокируется конечным продуктом.

Приспосабливаемость микроорганизмов к изменяющимся условиям среды обитания сопровождается согласованными изменениями процессов анаболизма и катаболизма. У микроорганизмов регуляция обменных процессов осуществляется с помощью ферментов. Регуляторные (амфиболические) ферменты воспринимают различные метаболические сигналы и в соответствии с ними изменяют свою каталитическую активность. Выделяют 3 уровня регуляции ферментативных реакций с учётом потребности клеток в энергии: (1) изменение абсолютного количества конкретного фермента; (2) изменение фонда реагирующих веществ, исключая фермент; (3) изменение каталитической активности фермента.

Абсолютное количество конкретного фермента определяется скоростью его синтеза (Кs) и скоростью распада (Kd) по схеме:

Кd

Ф ермент Аминокислоты

Ks

Количество фермента может увеличиваться за счёт возрастания Ks либо уменьшения Kd или того и другого вместе. Напротив, уменьшение количества фермента может происходить за счёт снижения Ks или возрастания Kd либо за счёт того и другого вместе.

Изменение каталитической активности фермента могут вызвать: (1) ингибирование по типу обратной связи (когда тормозится активность фермента в начале биосинтетического пути конечным продуктом); (2) аллостерическая активация (когда конечный или промежуточный продукт активирует другой, включающий синтез нового вещества); (3) воздействие регуляторных белков (последние присоединяются к ферменту, изменяя – усиливая или ослабляя – его активность).

Изменение ферментативной активности микроорганизмов лежит в основе их фенотипической идентификации. Для использования спектра ферментов у прокариот широко используются дифференциально-диагностические питательные среды.

Питательные среды представляют собой специально приготовленные субстраты для выращивания микроорганизмов в искусственных условиях. К питательным средам предъявляются следующие требования: (1) достаточность (среды должны содержать в достаточном количестве все необходимые питательные вещества – углерод, азот, источники энергии, минеральные соли и ростовые факторы); (2) оптимальность рН для роста данного вида бактерий; (3) стерильность; (4) изотоничность; (5) достаточная влажность; (6) прозрачность.

По консистенции питательные среды подразделяются на жидкие, полужидкие и плотные. Жидкие среды представляют собой водные растворы неорганических и органических веществ. Для получения полужидких сред к ним добавляют агар в количестве 0,3-0,7 %. Полужидкие среды имеют вязкую консистенцию. Плотные питательные среды в своём составе содержат 1,5-3 % агара или желатина или силикагеля.

По происхождению питательные среды бывают естественными (молочные, яичные, картофельные, кровяные) и искусственными (синтетические и полусинтетические). Синтетические среды имеют строго определённый химический состав и представляют собой растворы неорганических солей с добавлением химических соединений, которые служат источником углерода или азота. Искусственной средой, например, является минимальная среда М-9, в которой источником азота является NH₃Cl, а энергии и углерода – глюкоза. В состав синтетических сред могут входить также аминокислоты, азотистые основания, витамины. Полусинтетические среды – это синтетические среды, к которым добавляют какой-либо продукт природного происхождения, например, сыворотку крови.

По назначению питательные среды подразделяются на универсальные, дифференциально-диагностические, селективные и специальные. Универсальные среды содержат набор питательных веществ, подходящий для роста многих видов патогенных и непатогенных бактерий. К универсальным средам относятся: мясо-пептонный бульон (МПБ = мясная вода + 1 % пептона + 0,5 % NaCl), мысо-пептонный агар (МПА = МПБ + 2-3 % агара). Дифференциально-диагностические среды включают разнообразные субстраты, по ферментации которых можно отличить одни виды бактерий от других. К этой категории относятся среды: Эндо, Плоскирёва, Гисса, Ресселя и др. Например, среда Эндо (водный раствор агара, лактозы, Na₂PO₄, Na₂CO₃, Na₂SO₃, фуксина основного) позволяет отличить бактерии, расщепляющие лактозу с кислотообразованием (лактозоположительные) от лактозоотрицательных. Лактозоположительные бактерии на среде Эндо образуют колонии, окрашенные в красный цвет с металлическим блеском; лактозоотрицательные бактерии на этой среде образуют неокрашенные колонии. Аналогичную дифференцировку позволяют провести среды Плоскирёва и Ресселя. Среды Гисса представляют собой набор сред, включающих в свой состав один из моносахаров (глюкоза, сахароза, лактоза, маннит, мальтоза) и МПБ. Выращивание бактерий в средах Гисса позволяет определить специфическую для данного вида ферментативную активность. Селективные (избирательные, обогатительные, элективные) среды содержат вещества, используемые бактериями определённых видов и подавляющие рост других микроорганизмов. Селективные среды позволяют направленно отбирать из исследуемого материала определённые виды бактерий. Сюда относятся 1 % пептонная вода (для выращивания Vibriocholerae), желточно-солевой агар (для культивирования галофильных бактерий), среды Раппопорт и др. Например, на желточно-солевом агаре (ЖСА), содержащем до 15 % NaCl, способны расти микроорганизмы, устойчивые к высокому содержанию натрия хлорида – стафилококки и др. Специальные среды специально готовятся для получения роста тех бактерий, которые не растут или очень плохо растут на универсальных средах. К ним относятся кровяной МПА (для получения роста патогенных стрептококков), среда Левенштейна-Йенсена (для выращивания возбудителей туберкулёза).