Рост и размножение микроорганизмов
Под ростом понимают увеличение размеров отдельной особи и упорядоченное воспроизведение всех химических компонентов и структур, увеличение цитоплазматической массы отдельной клетки или популяции в результате синтеза клеточного материала.
Размножение — процесс воспроизведения себе подобных особей, обеспечивающий продолжение существования вида, увеличение числа бактерий в микробной популяции. Бактерии размножаются в основном путем бинарного деления пополам, реже путем почкования, фрагментации нитевидных клеток, спорами. Грамположительные бактерии делятся путем врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки, а грамотрицательные — путем перетяжки в результате образования гантелевидных фигур, из которых затем формируются две одинаковые клетки. У бактерий известен и половой путь размножения, сущность которого заключается в передаче генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту.
Шаровидные формы микробов делятся в разных плоскостях, в результате чего образуются одиночные, парные клетки или расположенные в виде цепочек, гроздьев и т. п.
Микроскопические грибы чаще всего размножаются спорами, половым путем и почкованием.
В процессе деления происходит репликация ДНК, которая осуществляется ДНК-полимеразами. Удвоение происходит с определенной скоростью, что зависит от возраста культуры, вида бактерий, качества питательной среды. Например, скорость роста кишечной палочки составляет 15—20 мин, туберкулезной палочки — 18—20 ч.
Бактерии, засеянные в определенный, неизменяющийся объем жидкой питательной среды, размножаясь, потребляют питательные вещества, что приводит к истощению среды и прекращению их роста. Культивирование микробов в такой системе называется периодическим, а культура — периодической. Если культивирование поддерживается путем подачи свежей питательной среды и оттока такого же объема культуральной жидкости, такое культивирование называют непрерывным, а культуру — непрерывной. При выращивании бактерий в жидкой питательной среде наблюдают придонный рост, диффузное помутнение среды, образование пленки на поверхности среды, пристеночного кольца и т. п. При выращивании на плотной питательной среде бактерии формируют колонии в R- и S-формах. Колонии могут быть в О-, D-, М-и Z-формах. Подвижные бактерии при засеве их в полужидкий агар путем укола вызывают помутнение питательной среды, а неподвижные растут по уколу в виде серо-белого стержня. Характер роста микробов на жидкой, полужидкой и плотной питательной средах довольно разнообразен и зависит от вида культивируемых микроорганизмов.
Рост периодической культуры подразделяют на несколько фаз или периодов. Многие исследователи различают восемь фаз роста бактерий, сменяющих друг друга в определенной последовательности. Большинство авторов подразделяют рост периодической культуры на четыре фазы: лаг-фаза; фаза логарифмического (экспоненциального) роста; стационарного роста; гибели бактерий.
Лаг-фаза (от англ. lag — запаздывание) — период между посевом бактерий икначалом их размножения. В этой фазе в клетках повышается количество нуклеиновых кислот, белка и других компонентов, бактерии увеличиваются в размерах и готовятся к делению. Продолжительность этой фазы составляет 4—5 ч.
Фаза логарифмического (экспоненциального) роста — это период наиболее интенсивного роста и деления бактерий. Бактерии делятся 20— 40 мин (время генерации — интервал между делениями клетки). Продолжительность фазы — 5—6 ч. В этой фазе бактерии наиболее ранимы, что объясняется высокой чувствительностью интенсивно растущих клеток к ингибиторам синтеза белка, нуклеиновых кислот и других соединений.
Фаза стационарного роста характеризуется тем, что количество вновь нарождающихся клеток равно количеству отмирающих бактерий. Продолжительность этой фазы — 3—4 ч.
Фаза гибели характеризуется отмиранием клеток в связи с истощением питательных веществ в среде и накоплением в ней продуктов метаболизма бактерий. Продолжительность этой фазы исчисляется десятками часов и даже несколькими неделями.
При развитии микробной популяции выделяют два основных процесса — размножение и отмирание клеток. С учетом этого популяцию бактерий в определенный момент времени можно количественно охарактеризовать двумя параметрами: концентрацией живых клеток и величиной, указывающей на общее количество как живых, так и погибших микробов. Количество живых клеток в популяции определяют путем высева разведенных проб растущей культуры на плотную питательную среду, на поверхности которой каждая клетка формирует колонию. Подсчет числа колоний характеризует концентрацию жизнеспособных клеток в единице объема питательной среды. Общее число бактерий определяют по оптической плотности культуральной жидкости с помощью фотоэлектроколориметров или спектрофотометров, используют микроскопический метод подсчета клеток в счетной камере и другие методы.
Ферменты микроорганизмов
Обмен веществ (метаболизм) в микробной клетке происходит с участием ферментов (энзимов), которые являются биологическими катализаторами, т. е. веществами, влияющими на скорость химических реакций. Ферменты микроорганизмов синтезируются самой микробной клеткой и имеют сложное строение. Одни ферменты состоят только из белка — протеина, а другие представляют собой протеиды, состоящие из белка — апофермента и небелковой группы — кофермента. В этом случае апофермент соединяется с активной группой изменяемого вещества, а не обладающий специфичностью кофермент способствует течению реакции. Для ферментов характерны термолабильность и высокая специфичность действия, например фермент лактаза гидролизует лактозу, но не действует на родственные дисахариды (мальтозу, целлобиозу). Оптимальная температура для действия ферментов — 40—50 °С, для некоторых— 58—60 °С; при 100 °С они разрушаются. Ферменты действуют при определенном показателе кислотности среды рН и не изменяются к концу реакции, не входят в состав конечных продуктов.
Ферменты микробов делят на эндо- и экзоферменты. Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой, осуществляют дальнейшее разложение поступающих питательных веществ и превращение их в составные части клеток. Экзоферменты выделяются в окружающую среду, где производят превращение питательных веществ до более простых соединений, которые затем проходят через оболочку микробной клетки и служат пластическим материалом.
Название фермента связано с веществом, на которое он действует, с изменением окончания «-аза» или природой катализируемой им химической реакции. Насчитывается более 2 тыс. ферментов. По реше 
нию биохимического конгресса (1961) все ферменты делят на шесть классов.
1. Оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (дегидрогеназы, каталаза, цитохромы).
2. Трансферазы — ферменты переноса отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок (ацетилтрансфераза).
3. Гидролазы — ферменты присоединения или отщепления частичек воды у белков, жиров и углеводов (протеолитические ферменты).
4. Лиазы — ферменты, отщепляющие или присоединяющие без участия воды различные соединения с двойной связью (альдолаза).
5. Изомеразы — ферменты, осуществляющие превращение органических соединений в их изомеры (глюкофосфатизомераза).
6. Лигазы — ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из простых (пируваткарбоксилаза).
Кроме того, различают конститутивные (индуктивно-адаптивные) и индуцибельные ферменты.
К конститутивным относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно, независимо от наличия в питательной среде соответствующего субстрата.
Индуцибельные ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента. Например, Р-галактозидаза кишечной палочки на среде с глюкозой практически не образуется, но ее синтез резко возрастает при выращивании Е. coli на среде с лактозой.
Патогенные микробы продуцируют ферменты агрессии, которые способствуют проникновению, распространению и паразитированию микроорганизма (гиалуранидаза, коллогеназа, нейраминидаза, коагулаза, ДНКаза) в макроорганизме.
Микробы разных видов при оптимальных условиях продуцируют постоянные ферменты или группу ферментов. Посредством определения этих ферментов дифференцируют микроорганизмы, сходные по морфологическим и культуральным свойствам, что является одним из важнейших дифференциально-диагностических методов точного распознавания возбудителя инфекционной болезни.
Контрольные вопросы
1. Какие химические вещества входят в состав бактериальной клетки?
2. Как подразделяются микроорганизмы по способу углеродного питания?
3. На какие группы подразделяют микробы по типу дыхания?
4. Что понимают под ростом и размножением бактерий?
5. На какие фазы подразделяют рост периодической культуры микробов?
6. На какие классы подразделяют ферменты?