close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Лекция по микробиологии № 2 для зоотехников ЗО

код для вставкиСкачать
ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
ЛЕКЦИЯ № 2.
Тема:«ФИЗИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА
МИКРООРГАНИЗМОВ»
План лекции:
Часть 1Физиология микроорганизмов
1. Химический состав микробной клетки.
2.Метаболизм (обмен веществ) микроорганизмов.
3.Ферменты микроорганизмов
4.Дыхание микроорганизмов, биологическое окисление
(энергетический метаболизм).
Часть 2. Генетика микроорганизмов.
5.Способы размножения у прокариот.
компонент, непосредственно участвует в реакциях гидролиза
белков, углеводов и липоидов. Количество воды в клетке
постоянно, и это постоянство регулируется цитоплазматической
мембраной. Удаление воды из клетки путем высушивания
приводит к приостановке процессов метаболизма, прекращению
размножения. Высушивание микроорганизмов в вакууме из
замороженного
состояния
(лиофилизация)
прекращает
размножение микробов и способствует длительному их
сохранению.
Содержание свободной воды в клетке может изменяеться в
зависимости от условий внешней среды, физиологического
состояния клетки, ее возраста и т.п. Так, в спорах бактерий и
грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках,
ввиду низкого содержания в них свободной воды.
Часть 1Физиология микроорганизмов
1.Химический состав микробной клетки
Для понимания процессов обмена веществ, происходящих в
микробных клетках, необходимо знать химический состав
микроорганизмов.
Бактерии,
спирохеты,
микоплазмы,
актиномицеты,
риккетсии, хламидии, несовершенные и дрожжеподобные грибы,
простейшие содержат те же химические вещества, что и клетки
всех живых организмов.
В наибольшем количестве в клетках содержатся углерод,
азот, водород и кислород. Их называют важнейшими элементами –
органогенами и они используются для построения сложных
органических веществ: белков, углеводов, липидов.
Вода. Значительную часть клетки составляет вода - от 70 до
85-90% от общей массы. Вода служит средой, в которой протекают
разнообразные химические процессы микробной клетки. В ней
растворяются
кристаллоиды,
диссоциируют
электролиты,
формируются коллоиды. Кроме того, сама вода как химический
Состав сухого вещества Сухой остаток микробной клетки
составляет от 15% до 30%.распределен следующим образом:52 %
составляют белки, 17 % — углеводы, 9 % - липиды, 16 % - РНК, 3
% - ДНК и 3 % — минеральные вещества.
Белки - это простые белки - протеины и сложные белки протеиды. В состав белков входят как обычные для эукариотов
аминокислоты, так и оригинальные-диаминопимелиновая, Dаланин, D-глютанин, входящие в состав пептидогликанов и капсул
некоторых бактерий. Только в спорах находится дипиколиновая
кислота, с которой связана высокая резистентность спор. Жгутики
построены из белка флагеллина, обладающего сократительной
способностью и выраженными антигенными свойствами. Пили
(ворсинки) содержат особый белок-пилин.
Белки входят в состав пептидогликана- биополимера,
составляющего основу бактериальной клеточной стенки.
Удивительное таинство жизни- синтез белка осуществляется
в рибосомах. Существует два основных типа рибосом - 70S (Sконстанта седиментации, единица Сведберга) и 80S. Рибосомы
первого типа встречаются только у прокариотов. Антибиотики не
действуют на синтез белка в рибосомах типа 80S,
распространенных у эукариотов.
Аминокислотный состав белков характерен для различных
видов микроорганизмов. Белки входят в состав ферментов.
Белками являются экзотоксины, с которыми связана патогенность
целого ряда микробов; белками являются многие антигены, с ними
связана специфичность микробов.
Нуклеиновые кислотыявляются важнейшими компонентами
микробов. В ДНК зашифрована вся наследственная информация
клетки (может находиться в ядерном аппарате (хромосомная ДНК)
или в цитоплазме в специализированных образованиях-плазмидахплазмидная (внехромосомная) ДНК), а РНК(рибонуклеиновая
кислота) участвует в процессах считывания информации,
передачи се на рибосомы и синтеза в них белка - соответственно:
матричная РНК (мРНК), рибосомальная РНК (рРНК) и
транспортная РНК (тРНК).
Молекула ДНК(дезоксирибонуклеиновая кислота) построена
из двух полинуклеотидных цепочек. Каждый нуклеотид состоит из
азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфатной группы.
Азотистые основания представлены пуринами(аденин, гуанин) и
пиримидинами (тимин, цитозин). Установлено, что состав
нуклеотидов ДНК, а именно соотношения гуанин +
цитозин/аденин + тимин является стабильным признаком. Поэтому
его можно использовать для определения таксономического
положения бактерий. Например, у стафилококков процентное
содержание Г+Ц-28%-39%, а у сходных с ними микрококков
Г+Ц=65%-83%, следовательно, они принадлежат к разным родам.
Углеводы входят в состав различных мембран клеток
микроорганизмов. Они используются для синтеза различных
веществ в клетке и в качестве энергетического материала.
Углеводы входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной
для грамположительных бактерий.
Углеводы могут откладываться в клетке в виде запасных
питательных веществ. В клетках большинства бактерий углеводы
составляют 10-30% сухого вещества, у грибов – 40-60%. Но
количество углеводов в клетке непостоянно даже у одной и той же
бактерии и зависит не только от рода и вида, но и от условий
развития микробов.
Бактерии
содержат
моносахариды,
дисахариды,
полисахариды. В теле микроорганизмов углеводы встречаются
преимущественно в виде полисахаридов – гликогена, гранулезы
(углевод, близкий к крахмалу), декстрина, клетчатки или близких
ей соединений. У некоторых бактерий полисахаридный антиген
настолько специфичен, что позволяет разграничить отдельные
типы внутри вида. Например, капсульный антиген пневмококков,
поверхностный
С-антиген
стрептококков.
Полисахариды
находятся и в связанном состоянии с белками, липидами.
Липиды у бактерий, не содержащих жировые вещества в
виде включений, составляют около 10% сухого остатка. У
бактерий, имеющих особые жировые включения, например, у
микобактерий туберкулеза, количество липидов достигает 40%,
что обеспечивает этим бактериям устойчивость к кислотам,
щелочам, спиртам. Лишь у некоторых дрожжей и плесеней
количество липидов может быть значительно выше – до 60 %.В
состав липидов входят нейтральные жиры, фосфолипиды и
свободные жирные кислоты. Фосфолипиды являются составной
частью цитоплазматической мембраны, принимают участие в
транспорте веществ. Липиды также откладываются в виде
запасных гранул.
Липиды входят в состав липополисахарида клеточной стенки
грамотрицательных бактерий - это их эндотоксин и Оантиген.ЛПС выполняет две основные функции- определяет
антигенную специфичность и является одним из основных
факторов патогенности. Это- эндотоксин, токсические свойства
которого проявляются преимущественно при разрушении
бактериальных клеток. Его токсичность определяется липидом А.
ЛПС запускает синтез более 20 биологически активных веществ,
определяющих патогенез эндотоксикоза, обладает пирогенным
действием.
Минеральные веществаобнаруживаются в золе, полученной
после сжигания клеток.Минеральные вещества микроорганизмов
разнообразны, количество и состав их зависит от вида микробов и
состава питательной среды. Основные элементы, необходимые для
жизнедеятельности клетки –азот, натрий, калий, фосфор, кальций,
магний, железо, медь, сера, хлор, кремний.
Азот входит в состав белков, нуклеотидов, коферментов.
Сера входит в виде сульфгид-рильных групп в структуру белков.
Фосфор в виде фосфатов представлен в нуклеиновых кислотах,
АТФ, коферментах. В качестве активаторов ферментов
используются ионы Mg, Fe, Mn. Ионы К и Mg необходимы для
активации рибосом. Са является составной частью клеточной
стенки грамположительных бактерий. У многих бактерий
имеются сидерохро-мы, которые обеспечивают транспортировку
ионов Fe внутрь клетки в виде растворимых комплексных
соединений.
Фосфор входит в состав аденозинтрифосфорной кислоты, которая является своеобразным аккумулятором энергии. Ионы
металлов участвуют в поддержании постоянства осмотического
давления, реакции среды (рН) в клетке.
Минеральные соединения играют большую роль в регуляции
внутриклеточного осмотического давления и коллоидного
состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление
биохимических реакций, являются стимуляторами роста,
активаторами ферментов.
Пигменты, или красящие вещества, у некоторых
микроорганизмов составляют значительную долю сухого вещества
клетки. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов, а
иногда выделяются в окружающую среду.
Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты
типа хлорофилла растений – бактериохлорофилл, который
отличается по строению от хлорофилла растений. Известно четыре
типа бактериохлорофилл: а, b, с, d.
Фототрофные микроорганизмы и некоторые дрожжи
образуют, кроме того, пигменты каротиноиды. Каротиноиды, как и
бактериохлорофилл, участвуют в ассимиляции углекислого газа.
У некоторых дрожжей в значительных количествах
образуются желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые
являются провитаминами витамина А. Производство таких
дрожжей перспективно для получения белково-витаминных
кормовых продуктов.
2.Метаболизм (обмен веществ) микроорганизмов
Метаболизм
–
совокупность
разнообразных
ферментативных реакций, происходящих в микробной клетке и
направленных на получение энергии и превращение простых
химических соединений в более сложные.Промежуточные или
конечные
продукты,
образующиеся
в
соответствующей
последовательности ферментативных реакций, в результате
которых разрушается или синтезируется скелет конкретной
биомолекулы, называют метаболитами.
В процессе метаболизма выделяют два вида обмена:
1) пластический (конструктивный):
а) анаболизм (с затратами энергии);
б) катаболизм (с выделением энергии);
2) энергетический
обмен
(протекает
в
дыхательныхмезосомах):
а) дыхание;
б) брожение.
Анаболизм- синтез компонентов клетки (конструктивный
обмен).
Катаболизмэнергетический
обмен,
связан
с
окислительно- восстановительными реакциями, расщеплением
глюкозы и других органических соединений, синтезом АТФ.
Питательные вещества могут поступать в клетку в растворимом
виде (это характерно для прокариот)- осмотрофы, или в виде
отдельных частиц-фаготрофы.
Для микроорганизмов характерновнеклеточное или внешнее
питание. Чтобы проникнуть в клетку питательные вещества
должны находиться в растворенном состоянии и иметь
соответствующий размер молекул. Большинство органических
соединений не могут бытьпоглощены и использованы в обмене
веществ клеткой микроорганизмов. Микроорганизмы в ответ на
присутствие этого вещества в среде (индуктора) синтезируют и
выделяют в среду соответствующий индуцибельный фермент
(экзофермент), который расщепляет макромолекулу полимера на
мономеры, а последние поглощаются клеткой. Кроме того,
эукариотные
микроорганизмы
могут
захватывать
высокомолекулярные
соединения (явления
пиноцитоза
и
фагоцитоза), которые в клетках расщепляются с помощью
гидролитических ферментов или используются как строительные
блоки в конструктивном обмене (синтез клеточных компонентов).
Особенности метаболизма у бактерий:
1) Быстрота и интенсивность обменных процессов. За сутки
микробная клетка может переработать такое количество
питательных веществ, которое превышает ее собственный вес в
30-40 раз.
2) многообразие используемых субстратов;
3) Выраженная приспособляемость к изменяющимся
условиям внешней среды.
4) направленность всех процессов метаболизма на
обеспечение процессов размножения;
5) преобладание процессов распада над процессами синтеза;
6) наличие экзо– и эндоферментов метаболизма.
Основные химические элементы- органогены, необходимые
для синтеза органичеких соединений- углерод, азот, водород,
кислород.
Требования большинства микроорганизмов к источникам
питания разнообразны, однако, в зависимости от способности
усваивать органические или неорганические источники
углерода и азота микроорганизмы делятся на две группы аутотрофов и гетеротрофов.
Аутотрофы (греч. autos - сам, trophic - питающийся)
получают
углерод
из
углекислоты
(СО2)
или
ее
солей,восстанавливая его водородом, отщепленным от воды или
другого органического вещества.
В зависимости от источника энергии микроорганизмы делят
на фототрофы (энергию получают за счет фотосинтезанапример, цианобактерии, некоторые пигментные бактерии,
например зеленые и пурпурные серобактерии,) и хемотрофы
(энергия добывается за счет химических, окислительновосстановительных реакций). К ним относятся бактерии,
окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии),
аммиак в азотистую кислоту (нитрифицирующие бактерии),
сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии).
По донору водорода автотрофы делятся на:
- литотрофы используют неорганические соединения в качестве
донора водорода
- органотрофы используют органические соединения в качестве
донора водорода
Гетеротрофы
(греч.
heteros
другой,
trophic
питающийся)Гетеротрофы получают необходимую энергию и
углерод из органических соединений, окисляя их. Они используют
сложные органические соединения, такие как углеводы, спирты,
аминокислоты, органические кислоты
Независимо от типов питания микроорганизмы делятся на:
ауксотрофы и прототрофы.
Ауксотрофы нуждаются в факторах роста: витамины,
пуриновые и пиримидиновые основания, аминокислоты. Это не
катализаторы роста. Потребность в них не является постоянной,
связана с нарушением биосинтетических процессов некоторых
ферментных систем (молочнокислые бактерии, нуждаются в
витаминах группы В).
Прототрофы не нуждаются в факторах роста͵ они сами их
синтезируют (дрожжи синтезируют витамины группы В).
Для микроорганизмов недостаточно деления на автотрофы и
гетеротрофы. Для характеристики типа питания учитывают все
критерии и выделяют 8 типов питания, каждому из которых
соответствует определенная группа микроорганизмов, более или
менее многочисленная.
Хемоорганогетеротрофы – наиболее многочисленная группа
микроорганизмов, среди нихразличают сапрофитов (греч. sapros гнилой, phyton - растение) и паразитов.
- сапрофиты (от греч. sapros – гнилой, phyton – растение) они живут за счет использования органических веществ различных
субстратов животного и растительного происхождения. К ним
относятся все те микробы, которые разлагают органические
вещества в природе (в почве, воде), вызывают порчу пищевых
продуктов или используются в процессах переработки
растительного и животного сырья;
- паразиты - они способны развиваться только в теле других
организмов, питаясь органическими веществами, входящими в
состав последних. К паразитам принадлежат возбудители
заболеваний человека, животных и растений.
Микробы могут изменять свой тип питания с
паразитического на сапрофитный. Их можно культивировать вне
организма, на питательных средах. Среди прокариотов
исключение составляют риккетсии и хламидии, которые могут
жить только в живых клетках хозяина. Их называют строгими, или
облигатными паразитами (лат. obligatus - обязательный).
Облигатными паразитами являются также все вирусы.
Транспорт питательных веществ
Через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану
внутрь клетки прокариотов проникают только небольшие
молекулы, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры
вначале расщепляются экзоферементами до более простых
соединений, которые транспортируются внутрь клетки.
Проникновение питательных веществ в клетку происходит за
счет явлений осмоса и диффузии.Явление осмоса всегда
возникает там, где есть два раствора с разной концентрацией
веществ, разделенных между собой полупроницаемой мембраной.
Движущей силой будет возникшее осмотическое давление т. е. та
энергия, с какой оба вещества будут стремиться выровнять свою
концентрацию. Проникновение каждого вещества через
перегородку прекращается лишь тогда, когда по обе стороны
концентрация его станет одинаковой.
В зависимости от концентрации веществ в окружающей
среде микробная клетка может находиться в трех состояниях.
- Турroр - если осмотическое давление микробных клеток,
обусловленное растворенными в клеточном соке веществами,
несколько выше, чем в среде, то за счет притока из нее воды в
клетке создается определенное упругое напряжение. Протопласт
клетки при этом прижимается к клеточной оболочке, слегка
растягивая ее. Находясь на пищевых продуктах в таком состоянии,
микробы проявляют большую активность и быстро вызывают
порчу. Поэтому в пищевой промышленности часто используются
такие методы консервирования пищевых продуктов, как сушка и
вяление, чтобы микробы не переходили в состояние тургора и не
вызывали их порчу.
- Плазмолиз - если микроорганизм попадает в субстрат,
осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то
цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные
вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается
в объеме, и протопласт отстает от клеточной оболочки. Это
явление широко используется в пищевой промышленности, когда
продукты питания консервируются сахаром и солью.
- Плазмоптиз- явление, обратное плазмолизу. Наступает при
чрезмерно низком осмотическом давлении внешней среды, когда
вследствие высокой разности осмотических давлений цитоплазма
быстро переполняется водой. Это может привести к разрыву
клеточной оболочки, что наблюдается, например, при помещении
бактерий в дистиллированную воду.
определенное вещество.Скорость такого переноса зависит от
концентрации веществ в наружном растворе.
- активный транспорт -против градиента концентрации,
субстратспецифичен,происходит также с участием пермеаз,
энергозатратный (за счет АТФ), вещества поступают в клетку в
химически неизмененном виде.
- транслокация (перенос групп)- это активный перенос
химически измененных молекул, с участием пермеаз против
градиента концентрации, с помощью фосфотрансферазной
системы, энергозатратна, вещества (преимущественно сахара)
поступают в клетку в форфорилированном виде(чаще всего в виде
фосфатного эфира).Химическая природа транспортируемого
вещества при переносе не изменяется.
Основным
регулятором
поступления
веществ
в
бактериальную клетку является цитоплазматическая мембрана.
Существует четыре основных механизма поступления веществ:
-пассивная диффузия- по градиенту концентрации, то есть
вследствие того, что концентрация вне клетки выше, чем внутри;
энергонезатратная, не имеющая субстратной специфичности. Так
поступают низкомолекулярные соединения (вода, кислород, ионы,
яды и ингибиторы) Скорость такого переноса веществ весьма
незначительна;
- облегченная диффузия- по градиенту концентрации,
субстратспецифичная, энергонезатратная, осуществляется при
участии специализированных белков-переносчиков пермеаз,
Молекула вещества соединяется с молекулой - переносчиком у
наружной поверхности мембраны, и образовавшийся комплекс
диффундирует через мембрану к ее внутренней стороне. Там он
диссоциирует, и освобожденное вещество оказывается внутри
клетки без изменений.Затем свободный переносчик перемещается
снова к наружной стороне мембраны, где связывает новые
молекулы вещества. При этом каждая пермеаза переносит какое-то
Выход веществ из бактериальной клетки происходит путем
пассивной диффузии или путем облегченной диффузии с участием
пермеаз.



3.Ферменты микроорганизмов
Микроорганизмы синтезируют различные ферменты.
Ферменты -это высокомолекулярные соединения белковой
природы, которые являются катализаторами биологических
процессов (т. е. оказывают влияние на скорость протекающей
реакции).
Свойства ферментов:
Небольшое
количество
катализатора
обеспечивает
превращение большого количества субстрата, оставаясь при этом в
свободном состоянии.
Для ферментов характерна высокая специфичность
действия. Каждый фермент участвует только в определенной
реакции с определенным химическим соединением.
Ферменты, синтезируемые микробной клеткой, способны
действовать, будучи выделенными из нее.
Группы ферментов: экзоферменты (действуют вне клетки)
и эндоферменты (действуют в самой клетке).
Экзоферменты – это ферменты, не связанные с цитоплазмой
клетки, они свободно выделяются во внешнюю среду или субстрат
и осуществляют внеклеточное переваривание. Чаще всего они
участвуют
в
питании
микроорганизмов.Способность
к
образованию экзоферментов во многом определяет инвазивность
бактерийспособность
проникать
через
слизистые,
соединительнотканные и другие тканевые барьеры.
Экзоферменты,
выделяясь
в
окружающую
среду,
расщепляют макромолекулы питательных веществ до более
простых соединений, которые могут быть усвоены микробной
клеткой. К экзоферментам относятся гидролазы, вызывающие
гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате гидролиза белки
расщепляются на аминокислоты и пептоны, жиры – на жирные
кислоты и глицерин, углеводы (полисахариды) – на дисахариды и
моносахариды. Расщепление белков вызывают ферменты
протеазы, жиров – липазы, углеводов – карбогидразы. Многие
патогенные бактерии, кроме ферментов обмена, выделяют
ферменты, являющиеся факторами вирулентности. Например, такие
ферменты,
как
гиалуронидаза,
коллагеназа,
дезоксирибонуклеаза,
нейраминидаза
способствуют
проникновению и распространению патогенного микроба в
организме: гиалуронидазарасщепляет гиалуроновую кислоту,
входящую в состав межклеточного вещества, что повышает
проницаемость тканей (клостридии, стрептококки, стафилококки и
многие другие микроорганизмы); нейраминидаза облегчает
преодоление слоя слизи, проникновение внутрь клеток и
распространение в межклеточном пространстве (холерный
вибрион, дифтерийная палочка, вирус гриппа и многие другие). К
этой же группе относятся энзимы, разлагающие антибиотики
(напримербеталактамаза, которая разрушает пенициллин и другие
беталактамные антибиотики, защищая бактерии от их действия.)


Эндоферменты – это ферменты, которые прочно связаны с
цитоплазмой клетки, они осуществляют свою деятельность внутри
клетки.
Чаще всего они участвуют в обмене веществ. Для их
выделения клетку предварительно нужно разрушить.
Для бактерий, в силу их малых размеров, характерна высокая
степень саморегуляции продукции ферментов. В соответствии с
механизмами генетического контроля у бактерий ферменты можно
разделить
наконститутивные
и
адаптивные.
Конститутивные ферменты продуцируются клеткой постоянно
(это в основном ферменты клеточного обмена – протеазы, липазы,
карбогидразы и др.)
Адаптивные ферменты, в свою очередь, подразделяются на
индуцируемые Продукция индуцируемых ферментов происходит в
присутствии субстрата. Например, ферменты, расщепляющие
лактозу, образуются в клетке в только присутствии этого углевода.
Ингибируемые Продукция ингибируемых ферментов, напротив,
подавляется присутствием в среде конечного субстрата в
достаточно большой концентрации (например, триптофана).
Классификация ферментов. Ферменты подразделяют на
6 основных классов:
1.
Оксидоредуктазы (катализируют окисл-вост-е реакции
между двумя субстратами и принимают участие в дыхании
клетки).
2.
Трансферазы (осуществляют межмолекулярные перенос
химических групп от одних соединений к другим).
3.
Гидролазы
(катализируют
реакции
расщепления
внутримолекулярных связей, путем связывания молекул воды).
Лиазы (катализируют реакции путем присоединения или
отрыва двух связей, но без присоединения воды или окисления).
5.
Изомеразы (осуществляют реакции изомеризации, т. е.
внутримолекулярные перемещения групп элементов).
6.
Лигазы (синтетазы) (катализируют процессы синтеза связей
за счет энергии расщепления пирофосфатных связей в молекуле
АТФ).
4.
1.
2.
3.
4.
Биохимические свойства бактерий определяются составом
ферментов(основное значение часто имеют конечные продукты и
результаты действия ферменто). В соответствии с этим
существует микробиологическая (рабочая) классификация
ферментов.
протеолитические – расщепление белков,
липолитические – расщепление жиров,
сахаролитические – расщепление углеводов.
окислительно- восстановительные.
5.
ферменты патогенности (вирулентности).гиалуронидаза,
плазмокоагулаза, лецитиназа, нейраминидаза, ДНК-аза.
Способность
бактерий
продуцировать
определенные
ферменты -признак настолько постоянный, что его используют для
идентификации, то есть определения вида бактерий.
Использование
ферментотивной
активности
микробов. Ферментативную активность бактерий и грибов
широко используют в промышленности для получения
органических кислот (уксусной, молочной, щавелевой, лимонной),
приготовления молочных продуктов (сыр, ацидофилин, кумыс), в
виноделии, пивоварении и других отраслях промышленности.
Знание
ферментативных
процессов,
характерных
для
определенного вида микроорганизмов.В медицине находят
применение такие лечебные средства, как стрептокиназа
(фибринолизин
стрептококков),
террилитин
(протеаза
Aspergillusterricola). Ферменты микробного происхождения -
липазы и протеазы, входящие в состав моющих средств и
стиральных порошков, расщепляют белковые и жировые
загрязнения до воднорастворимых веществ, которые легко
смываются водой.
4.Дыхание микроорганизмов Биологическое окисление
(энергетический метаболизм)
Дыхание-биологический процесс переноса электронов через
дыхательную цепь от доноров к акцепторам с образованием АТФ.
В зависимости от того, что является конечным акцептором
электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При
аэробном дыхании конечным акцептором электронов является
молекулярный кислород (О2), при анаэробном- связанный
кислород ( -NO3 , =SO4, =SO3).
Сущность процесса заключается в последовательном
окислении
субстратов
с
постепенным
освобождением
энергии,часть которой используется микробной клеткой
(запасается в молекулах АТФ) а остальное количество выделяется
в окружающую среду.
Окислению подвергаются углеводы, спирты, органические
кислоты, жиры и другие вещества. Но для большинства
микроорганизмов источником энергии служат гексозы, в
частности, глюкоза.
У прокариотов возможны три пути получения энергии,
которые различаются по выходу энергии
1. Фотосинтез (фотосинтетическое фосфорилирование), в
котором принимают участие энергия фотонов, хлорофилл или его
аналоги – пигменты. Фотосинтез описан у очень небольшой
группы микробов (цианобактерии или сине-зелёные водоросли),
содержащих пигменты, сходные с хлорофиллом.
2. Дыхание (окислительное
фосфорилирование)
–
окислительно-восстановительный
процесс
переноса
взаимодействия субстрата со свободным кислородом и
ферментами дыхательной цепи, цепь реакций биологического
окисления. Большинство
бактерий,
называемых скотобактериями,получают
энергию
путем
химических реакций.
У микроорганизмов существует два типа биологического
окисления:аэробный и анаэробный. При аэробном типе участвует
кислород, и этот процесс называется дыханием в строгом смысле
слова. При анаэробном типе дыхания микроорганизмы могут
развиваться при отсутствии кислорода, получая энергию в
результате
ферментативного
расщепления
органических
веществ.Начальный этап анаэробного расщепления глюкозы с
образованием пировиноградной кислоты (ПВК) происходит
одинаково. Эта кислота является тем центральным пунктом, от
которого расходятся пути дыхания и многих видов брожений.
При аэробном типе дыхания пировиноградная кислота
вступает в цикл трикарбоновых кислот. Водород ПВК поступает в
дыхательную цепь. Это цепь окислительных ферментов
(цитохромы и цитохромоксидаза). По цепи цитохромов передается
водород и присоединяется к активированному под действием
цитохромоксидазы кислороду с образованием воды. Конечные
продукты аэробного окисления глюкозы - диоксид углерода
(углекислота) и вода. В процессе дыхания на одну молекулу
глюкозы образуется 38 молекул АТФ.
При анаэробном типе биологического окисления энергия
образуется в результате брожений. При спиртовом брожении ПВК
превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Конечным
продуктом молочнокислого брожения является молочная кислота,
маслянокислого брожения - масляная кислота. При процессах
брожения на одну молекулу глюкозы образуется только 2
молекулы АТФ.
Микробную природу брожений впервые открыл и доказал
Пастер. Изучая маслянокислое брожение, Пастер впервые
столкнулся с возможностью жизни без кислорода, то есть с
анаэробиозом. Он также установил явление, которое впоследствии
было названо "эффектом Пастера": прекращение процесса
брожения при широком доступе кислорода.
Анаэробиоз существует только среди прокариотов. Все
микроорганизмы по типу дыхания делятся на следующие
группы:
облигатные
аэробы,
облигатные
анаэробы,
факультативные анаэробы, микроаэрофилы.
Облигатные аэробы размножаются только при наличии
молекулярного (атмосферного) кислорода. К ним можно отнести
микобактерии туберкулеза, холерный вибрион,синегнойная
палочка.
Облигатные или строгие анаэробы размножаются только в
анаэробных условиях т.е. при очень низких концентрациях
молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для
них губителен. Биохимически анаэробное дыхание протекает по
типу бродильных процессов, молекулярный кислород при этом не
используется.
Аэробное дыхание энергетически более эффективно
(синтезируется большее количество АТФ).
В процессе аэробного дыхания образуются токсические
продукты окисления (H2O2- перекись водорода, -О2 - свободные
кислородные радикалы), от которых защищают специфические
ферменты,
прежде
всего
каталаза,
пероксидаза,
пероксиддисмутаза. У анаэробов эти ферменты отсутствуют,
также
как
и
система
регуляции
окислительновосстановительного потенциала (rH2).
К строгим анаэробам относятся клостридии столбняка,
ботулизма, газовой гангрены, некоторые бактероиды. Среди
множества
патогенных
бактерий
их
количество
невелико. Спорообразующие
анаэробы
в
этих
условиях
прекращают
размножение
и
превращаются
в
споры.
Неспорообразующие
анаэробы
погибают
даже
при
кратковременном контакте с кислородом.
К облигатным спорообразующим анаэробам относятся
клостридии столбняка, ботулизма, анаэробной раневой инфекции;
к неспорообразующим анаэробам - бактероиды, пептобактерии,
бифидумбактерии.
факультативные (условные) анаэробы -большинство
патогенных бактерий, например, энтеробактерии, которые могут
размножаться в аэробных и анаэробных условиях. Они имеют
полный набор ферментов и при широком доступе кислорода
окисляют глюкозу до конечных продуктов; при низком
содержании кислорода они вызывают брожение. К ним относятся:
аэротолерантные микробы (к примеру спорообразующие
анаэробные палочки -клостридии газовой гангрены, столбняка). это анаэробные бактерии, устойчивые к кислороду, которые не
размножаются в присутствии кислорода, но и не погибают;
микроаэрофилы (стрептококки, актиномицеты и некоторые
бациллы полости рта) представляют из себя небольшую группу
факультативно-анаэробных бактерий, устойчивых к действию
кислорода в небольших концентрациях (до 5-10%) т.е.
размножаются в присутствии небольших количеств кислорода.
Например, кампилобактеры могут размножаться при 3-6%
кислорода.
капнофилывозбудители бруцеллеза, стрептококки полости
рта)нуждаются в избыточном количестве углекислого газа (до
20%).
аэрофилы нуждаются в повышенном содержании кислорода
(холерный вибрион, возбудители дифтерии, туберкулеза).
3. Брожение (субстратное
фосфорилирование)
разновидность анаэробного дыхания, при котором и донором и
акцептором водорода является органическое вещество.
При
брожении
происходит
расщепление
сложных
органических веществ до более просто устроенных с выделением
небольшого количества энергии. При поступлении глюкозы в
клетку, происходит гликолиз и образуется ПВК. Дальнейшие ее
превращения зависят от набора ферментов анаэробных бактерий.
Учитывая зависимость оттого какие конечные продукты
образуются, выделяют разные типы брожения:
· Молочнокислое брожение вызывается лактобактериями,
бифидобактериями, стрептококками, образуя из ПВК молочную
кислоту (гомоферментативное брожение) или молочную,
янтарную, уксусную кислоты, ацетон (гетероферментативное
брожение). Эти бактерии применяются в производстве молочнокислых продуктов: ряженки, простокваши, кефира, йогуртов и
творога.
· Маслянокислое брожение. Возбудителями этого вида
брожения являются анаэробные бактерии рода клостридии, а
также бактероиды, фузобактерии и другие микроорганизмы,
вызывающие у человека опасные анаэробные инфекции.
Основным продуктом брожения является масляная,изомасляная,
уксусная, валериановая кислоты.
· Пропионовокислое
брожение также
вызывается
анаэробами - пропионибактериями (обитатели кожи и слизистой
оболочкичеловека и животных могут вызывать анаэробные
инфекции), которые используются в производстве сыров.
Конечный продукт брожения - пропионовая кислота.
· Спиртовое брожение. Вызывают дрожжи. В результате
спиртового брожения образуется этиловый спирт, что издавна
используется в пивоварении и виноделии.
· Бутиленгликолевое брожение. В результате брожения
образуются бутиловый спирт, этиленгликоль, срероводород и
другие токсические продукты. Этот вид брожения вызывают
кишечная палочка и другие энтеробактерии, в т.ч. - возбудители
кишечных инфекций - сальмонеллёза, дизентерии.
При субстратном фосфорилировании из глюкозы или других
источников углерода выделяется незначительное количество
энергии, так как образующиеся при этом продукты брожения
(молочная кислота͵ спирты и др.) сохраняют в себе значительные
количества энергии. По этой причине в анаэробных условиях
бактериальная культура для получения крайне важно й энергии во
много раз больше разлагает пищевого материала, чем в
присутствии кислорода. Теплообразование при развитии
бактериальной флоры в органическом материале (навоз, торф,
мусор) может привести к его самовозгоранию.
Определяют тип дыхания микроорганизмов посевом
культуры бактерий уколом в высокий столбик агара. При этом
аэробы вырастают в верхней части среды, факультативные
анаэробы – по всей длине укола, анаэробы – в нижней части
посева.
Часть 2. Генетика микроорганизмов
5.Способы размножения у прокариот
Термином "рост" обозначают увеличение размеров
отдельной особи, а "размножение" - увеличение числа особей в
популяции.
Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам,
реже путем почкования. У большинства грамположительных
бактерий деление клетки происходит путем образования
перегородки без изменения диаметра клетки. Сначала в месте
будущей перегородки формируются встречные впячивания
цитоплазматической мембраны, идущие от периферии к центру.
Далее на их основе строится поперечная перегородка из
цитоплазматической мембраны и муреинового слоя. Остальные
компоненты клеточной стенки синтезируются позднее.
У грамотрицательных бактерий клетки делятся обычно
перетяжкой. В месте перетяжки диаметр клетки резко сужается.
Клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана, постепенно
искривляясь внутрь, перетягивают клетку пополам. Расхождение
вновь образовавшихся дочерних клеток происходит в результате
действия литического фермента на срединный слой клеточной
перегородки.
Делению клеток предшествует репликация бактериальной
хромосомы по полуконсервативному типу. При
этом
двуспиральная цепь ДНК раскручивается, каждая нить
достраивается комплиментарной нитью и в результате каждая
дочерняя клетка получает одну материнскую нить и одну вновь
образованную.Бинарное
деление
бактериальных
клеток
происходит в одной или нескольких плоскостях. При делении в
одной плоскости, если дочерние клетки не расходятся, образуются
цепочки кокков и палочек. При делении клеток в нескольких
плоскостях образуются скопления клеток разной конфигурации
(тетракокки, сарцины, стафилококки).
При равновеликом бинарном делении реализуется так
называемый мономорфный клеточный цикл, при котором обычно
образуется один морфологический тип клеток.
Разновидностью бинарного деления является почкование.
Этот способ неравновеликого деления характерен для бактерий,
относящихся
к
родам
Hyphomicrobium,
Hyphomonas,
Pedomicrobium, Rhodopseudomonas и др.
Рост клетки почкующихся бактерий обычно наблюдается на
одном полюсе, и клетка имеет ярко выраженную полярность. У
некоторых почкующихся бактерий обнаружена асимметрия
внутриклеточных структур. При почковании на одном из полюсов
материнской клетки образуется вырост – гифа. На конце гифы
формируется почка, в которую переходит один из поделившихся
нуклеоидов. Почка разрастается, превращаясь в дочернюю клетку.
Последняя приобретает жгутик, отделяется от материнской клетки
и уплывает; либо продолжает сохранять с ней связь,формируя
многоклеточные комплексы. Процессу отделения почки от
материнской клeтки предшествует образование перегородки
между почкой и гифой.
У почкующихся бактерий наблюдается диморфный клеточный
цикл. В результате неравновеликого деления клетки (почкования)
образуются две неравноценные особи, различающиеся по форме,
размерам, подвижности и другим признакам. Образовавшиеся
клетки проявляют индивидуальность. Одна из них, неподвижная,
несет черты старения и является материнской; другая, снабженная
жгутиком, – дочерней. При почковании материнская клетка
практически не получает вновь синтезируемого материала и
постепенно стареет. Дочерняя клетка, наоборот, активно
достраивает клеточные структуры. В редких случаях у бактерий
встречается полиморфный клеточный цикл, когда при делении
образуются два или более морфологически различных типа клеток.
Например, у бактерий рода Hyphomicrobium при выращивании их
на метаноле происходит образование гиф и овальных почек. В
культурах некоторые штаммы Hyphomicrobiilm образуют
многогранные и лопастные клетки.
Еще
одним
вариантом
деления клеток
является
«множественное деление», описанное у цианобактерий. Оно
начинается с предварительной множественной репликации
хромосомы и существенного увеличения размеров самой клетки,
которая затем претерпевает ряд быстрых последовательных
бинарных делений, происходящих внутри микрообъема,
ограниченного от внешней среды дополнительным фибриллярным
слоем родительской клеточной стенки. Результатом этого процесса
является образование множества мелких клеток, получивших
название «баеоцитов», число которых у цианобактерий колеблется
от 4х до 1000. Окончательное же освобождение баеоцитов
происходит путем разрыва фибриллярного слоя родительской
клеточной стенки. Рис.3
Рисунок 3. способы деления у прокариот: равновеликое бинарное
деление (а), почкование (б) и множественное деление (в).
Быстрота размножения разных видов бактерий различна.
Большинство
бактерий
делятся
каждые
15-30
минут.
Микобактерии туберкулеза делятся медленно - одно деление за 18
часов, спирохеты - одно деление за 10 часов.
Если посеять бактерии в жидкую питательную среду
определенного объема и затем каждый час брать пробу и
определять количество живых бактерий в такой замкнутой среде и
составить график, на котором по оси абсцисс откладывать время в
часах, а по оси ординат логарифм количества живых бактерий, то
получим кривую роста бактерий. Рост бактерий подразделяют на
несколько фаз
1) латентная фаза (лаг-фаза) - бактерии адаптируются к питательной среде, количество их не увеличивается;
2) фаза логарифмического роста - количество бактерий
увеличивается в геометрической прогрессии;
3) фаза стационарного роста, во время которой число вновь
образованных бактерий уравнивается числом погибших, и
количество живых бактерий остается постоянным, достигая
максимального уровня. Это М-концентрация - величина,
характерная для каждого вида бактерий;
4) фаза отмирания, когда число отмирающих клеток начинает
преобладать над числом жизнеспособных бактерий вследствие
накопления продуктов метаболизма и истощения среды.
Культура бактерий в такой замкнутой несменяющейся среде
называется периодической. Если же в засеянный объем
непрерывно подают свежую питательную среду и удаляют такое
же количество жидкости, то такую культуру называют
непрерывной. Количество живых бактерий в такой культуре будет
постоянно в М-концентрации. Непрерывное культивирование
применяют в микробиологической промышленности.
Автор
ДонАгрА-З
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
96 Кб
Теги
лекция, зоотехников, микробиология
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа