Химический состав бактерий
Глава 3 ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микробных клеток, процессы их
питания, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой. Предметом изучения медицинской микробиологии является физиология патогенных и условно патогенных микроорганизмов, способных вызывать заболевания человека. Выяснение физиологии этих микроорганизмов важно для постановки микробиологического диагноза, понимания патогенеза, проведения лечения и профилактики инфекционных заболеваний, регуляции взаимоотношений человека с окружающей средой и т.д.
Химический состав бактерий
В состав микроорганизмов входят вода, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды,
минеральные вещества. Вода - основной компонент бактериальной клетки, составляющий около 80 % ее массы. Она находится в свободном или связанном состоянии со структурными элементами клетки. В спорах количество воды уменьшается до 18.20 %. Вода является растворителем для многих веществ, а также выполняет механическую роль в обеспечении тургора. При плазмолизе - потере клеткой воды в гипертоническом растворе - происходит отслоение протоплазмы от клеточной оболочки. Удаление воды из клетки, высушивание приостанавливают процессы метаболизма. Большинство микроорганизмов хорошо переносят высушивание. При недостатке воды микроорганизмы не размножаются.
Высушивание в вакууме из замороженного состояния (лиофилизация) прекращает размножение и способствует длительному сохранению микробных особей.
Белки (40.80 % сухой массы) определяют важнейшие биологические свойства бактерий и
состоят 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 в структурных компонентах и участвующих в процессах метаболизма. Большая часть белков обладает ферментативной активностью. Белки бактериальной клетки обусловливают антигенность и иммуногенность, вирулентность, видовую принадлежность бактерий. Нуклеиновые кислоты бактерий выполняют функции, аналогичные нуклеиновым кислотам эукариотических клеток: молекула ДНК в виде хромосомы отвечает за наследственность, рибонуклеиновые кислоты (информационная, или матричная, транспортная и рибосомная) участвуют в биосинтезе белка. Бактерии можно характеризовать (таксономически) по содержанию суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в молярных процентах (М%) от общего количества оснований ДНК. Более точной характеристикой микроорганизмов является гибридизация их ДНК. Основа метода гибридизации ДНК . способность денатурированной (однонитчатой) ДНК ренатурироваться, т.е. соединяться с комплементарной нитью ДНК и образовывать двухцепочечную молекулу ДНК. Углеводы бактерий представлены простыми веществами (моно- и дисахариды) и комплексными соединениями. Полисахариды часто входят в состав капсул. Некоторые внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.) являются запасными питательными веществами. Липиды в основном входят в состав цитоплазматической мембраны и ее производных, а также клеточной стенки бактерий, например наружной мембраны, где, кроме биомолекулярного слоя липидов, имеется ЛПС. Липиды могут выполнять в цитоплазме роль запасных питательных веществ. Липиды бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицеридами. Наибольшее количество липидов (до 40 %) содержат микобактерии туберкулеза. Минеральные вещества бактерий обнаруживают в золе после сжигания клеток. В большом количестве выявляются фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний, а также микроэлементы (цинк, медь, кобальт, барий, марганец и др.). Они участвуют в регуляции осмотического давления, рН среды, окислительно-восстановительного потенциала, активируют ферменты, входят в состав ферментов, витаминов и структурных компонентов микробной клетки.
Питание бактерий
Особенности питания бактериальной клетки состоят в поступлении питательных субстратов
внутрь через всю ее поверхность, а также в высокой скорости процессов метаболизма и
адаптации к меняющимся условиям окружающей среды.
Типы питания. Широкому распространению бактерий способствует разнообразие типов питания. Микроорганизмы нуждаются в углеводе, азоте, сере, фосфоре, калии и других элементах. В зависимости от источников углерода для питания бактерии делятся на автотрофы (от греч. autos - сам, trophe - пища), использующие для построения своих клеток диоксид углерода С02 и другие неорганические соединения, и гетеротрофы (от греч. heteros - другой, trophe . пища), питающиеся за счет готовых органических соединений. Аутотрофными бактериями являются нитрифицирующие бактерии, находящиеся в почве; серобактерии, обитающие в воде с сероводородом; железобактерии, живущие в воде с закисным железом, и др. Гетеротрофы, утилизирующие органические остатки отмерших организмов в окружающей среде, называются сапрофитами. Гетеротрофы, вызывающие заболевания у человека или животных,относят к патогенным и условно-патогенным. Среди патогенных микроорганизмов встречаются облигатные и факультативные паразиты (от греч. parasites - нахлебник). Облигатные паразиты способны существовать только внутри клетки, например риккетсии, вирусы и некоторые простейшие.
В зависимости от окисляемого субстрата, называемого донором электронов или водорода,
микроорганизмы делят на две группы. Микроорганизмы, использующие в качестве доноров
водорода неорганические соединения, называют литотрофными (от греч. lithos - камень), а
микроорганизмы, использующие в качестве доноров водорода органические соединения, -
органотрофами. Учитывая источник энергии, среди бактерий различают фототрофы, т.е. фотосинтезирующие (например, сине-зеленые водоросли, использующие энергию света), и хемотрофы, нуждающиеся в химических источниках энергии.
Факторы роста. Микроорганизмам для роста на питательных средах необходимы определенные дополнительные компоненты, которые получили название факторов роста. Факторы роста, необходимые для микроорганизмов соединения, которые они сами синтезировать не могут, поэтому их необходимо добавлят в питательные среды. Среди факторов роста различают: аминокислоты, необходимые для построения белков; пурины и пиримидины, которые требуются для образования нуклеиновых кислот; витамины, входящие в состав некоторых ферментов. Для обозначения отношения микроорганизмов к факторам роста используют термины ²ауксотрофы и ²прототрофы. Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста, прототрофы могут сами синтезировать необходимые для роста соединения. Они способны синтезировать компоненты из глюкозы и солей аммония. Механизмы питания. Поступление различных веществ в бактериальную клетку зависит от величины и растворимости их молекул в липидах или воде, рН среды, концентрации веществ, различных факторов проницаемости мембран и др. Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы и ионы, задерживая макромолекулы массой более 600 Д. Основным регулятором поступления веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана. Условно можно выделить четыре механизма проникновения питательных веществ в бактериальную клетку: это простая диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, транслокация групп. Наиболее простой механизм поступления веществ в клетку . простая диффузия, при которой перемещение веществ происходит вследствие разницы их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Вещества проходят через липидную часть цитоплазматической мембраны (органические молекулы, лекарственные препараты) и реже по заполненным водой каналам в цитоплазматической мембране. Пассивная диффузия осуществляется без затраты энергии.
Облегченная диффузия происходит также в результате разницы концентрации веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны. Однако этот процесс осуществляется с помощью молекул-переносчиков, локализующихся в цитоплазматической мембране и обладающих специфичностью. Каждый переносчик транспортирует через мембрану соответствующее вещество или передает другому компоненту цитоплазматической мембраны . собственно переносчику.
Белками-переносчиками могут быть пермеазы, место синтеза которых . цитоплазматическая
мембрана. Облегченная диффузия протекает без затраты энергии, вещества перемещаются от более высокой концентрации к более низкой. Активный транспорт происходит с помощью пермеаз и направлен на перенос веществ от меньшей концентрации в сторону большей, т.е. как бы против течения, поэтому данный процесс сопровождается затратой метаболической энергии (АТФ), образующейся в результате окислительно-восстановительных реакций в клетке. Перенос (транслокация) групп сходен с активным транспортом, отличаясь тем, что переносимая молекула видоизменяется в процессе переноса, например фосфорилируется. Выход веществ из клетки осуществляется за счет диффузии и при участии транспортных систем.
ферменты бактерий. Ферменты распознают соответствующие им метаболиты (субстраты),
вступают с ними во взаимодействие и ускоряют химические реакции. Ферменты являются
белками, участвуют в процессах анаболизма (синтеза) и катаболизма (распада), т.е.
метаболизма. Многие ферменты взаимосвязаны со структурами микробной клетки. Например, в цитоплазматической мембране имеются окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в дыхании и делении клетки; ферменты, обеспечивающие питание клетки, и др. Окислительно-восстановительные ферменты цитоплазматической мембраны и ее производных обеспечивают энергией интенсивные процессы биосинтеза различных структур, в том числе клеточной стенки. Ферменты, связанные с делением и аутолизом клетки, обнаруживаются в клеточной стенке. Так называемые эндоферменты катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки. Экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду, расщепляя макромолекулы питательных субстратов до простых соединений, усваиваемых клеткой в качестве источников энергии, углерода и др. Некоторые экзоферменты (пенициллиназа и др.) инактивируют антибиотики, выполняя защитную функцию. Различают конститутивные и индуцибельные ферменты. К конститутивным ферментам относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно, вне зависимости от наличия субстратов в питательной среде. Индуцибельные (адаптивные) ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента. Например, р-галактозидаза кишечной палочкой на среде с глюкозой практически не образуется, но ее синтез резко увеличивается при выращивании на среде с лактозой или другим р-галактозидозом.
Некоторые ферменты (так называемые ферменты агрессии) разрушают ткань и клетки,
обусловливая широкое распространение в инфицированной ткани микроорганизмов и их
токсинов. К таким ферментам относят гиалуронидазу, коллагеназу, дезоксирибонуклеазу,
нейраминидазу, лецитовителлазу и др. Так, гиалуронидаза стрептококков, расщепляя
гиалуроновую кислоту соединительной ткани, способствует распространению стрептококков и их токсинов.
Известно более 2000 ферментов. Они объединены в шесть классов: оксидоредуктазы .
окислительно-восстановительные ферменты (к ним относят дегидрогеназы, оксидазы и др.);
транс-феразы, переносящие отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим;
гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза, т.е. расщепления веществ на более простые с
присоединением молекул воды (эстеразы, фосфатазы, глкжозидазы и др.); лиазы, отщепляющие от субстратов химические группы негидролитическим путем (карбоксилазы и др.); изомеразы, превращающие органические соединения в их изомеры (фосфогексои-зомераза и др.); лигазы, или синтетазы, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых (аспарагинсинтетаза, глютаминсинтетаза и др.).
Различия в ферментном составе используются для идентификации микроорганизмов, так как
они определяют их различные биохимические свойства: сахаролитические (расщепление сахаров), протеолитические (разложение белков) и другие, выявляемые по конечным продуктам расщепления (образование щелочей, кислот, сероводорода, аммиака и др.).
Ферменты микроорганизмов используют в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы и др.) для получения биологически активных соединений, уксусной, молочной, лимонной и других
кислот, молочнокислых продуктов, в виноделии и других отраслях. Ферменты применяют в
качестве биодобавок в стиральные порошки (²Ока⌡ и др.) для уничтожения загрязнений
белковой природы.
Дыхание бактерий
Дыхание, или биологическое окисление, основано на окислительно-восстановительных
реакциях, идущих с образованием АТФ-универсального аккумулятора химической энергии.
Энергия необходима микробной клетке для ее жизнедеятельности. При дыхании происходят
процессы окисления и восстановления: окисление . отдача донорами (молекулами или
атомами) водорода или электронов; восстановление . присоединение водорода или электронов
к акцептору. Акцептором водорода или электронов может быть молекулярный кислород (такое
дыхание называется аэробным) или нитрат, сульфат, фумарат (такое дыхание называется
анаэробным . нитратным, сульфатным, фумаратным). Анаэробиоз (от греч. аег . воздух +
bios . жизнь) . жизнедеятельность, протекающая при отсутствии свободного кислорода. Если
донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс
называется брожением. При брожении происходит ферментативное расщеп-
ление органических соединений, преимущественно углеводов, в анаэробных условиях. С
учетом конечного продукта расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое,
уксуснокислое и ДРУгие виды брожения.
По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы:
облигатные, т.е. обязательные, аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы.
Облигатные аэробы могут расти только при наличии кислорода. Облигатные анаэробы
(клостридии ботулизма, газовой гангрены, столбняка, бактероиды и др.) растут только на
среде без кислорода, который для них токсичен. При наличии кислорода бактерии образуют
перекисные радикалы кислорода, в том числе перекись водорода и супероксид-анион
кислорода, токсичные для облигатных анаробных бактерий, поскольку они не образуют
соответствующие инактивирующие ферменты. Аэробные бактерии инактивируют перекись
водорода и супероксид-анион соответствующими ферментами (каталазой, пероксидазой и
супероксиддисмутазой). Факультативные анаэробы могут расти как при наличии, так и при
отсутствии кислорода, поскольку они способны переключаться с дыхания в присутствии
молекулярного кислорода на брожение в его отсутствие. Факультативные анаэробы способны
осуществлять анаэробное дыхание, называемое нитратным: нитрат, являющийся акцептором
водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака.
Среди облигатных анаэробов различают аэротолерантные бактерии, которые сохраняются при
наличии молекулярного кислорода, но не используют его.
Для выращивания анаэробов в бактериологических лабораториях применяют анаэростаты .
специальные емкости, в которых воздух заменяется смесью газов, не содержащих кислорода.
Воздух можно удалять из питательных сред путем кипячения, с помощью химических
адсорбентов кислорода, помещаемых в анаэростаты или другие емкости с посевами.