Чувствительность и резистентность(устойчивость) микро к антибиотику

По степени чувствительности к основным антибиотикам микробы подразделяются на чувствительные, умеренно чувствительные и устойчивые. В группу чувствительных входит большинство штаммов микроорганизмов, рост которых на питательных средах прекращается при использовании концентраций, соответствующих средним терапевтическим дозам антибиотиков. Если он угнетается при применении только максимальных доз препаратов, то такие микроорганизмы умеренно чувствительны к антибиотику. Если подавление роста достигается в опыте в лаборатории лишь при очень высоких концентрациях препарата, которые нельзя создать в организме, то такие возбудители инфекции относятся к устойчивым к антибиотику.

Для определения чувствительности микробов к антибиотикам существует ряд методов: метод последовательных разведений в жидкой питательной среде или питательном агаре, метод диффузии в агар (метод дисков, насыщенных антибиотиками) и ускоренные методы. Метод дисков прост, широко используется, но дает лишь качественный ответ. Более надежным и точным количественным методом является метод последовательных разведений антибиотиков в питательной среде в стандартных условиях опыта. В большинстве случаев корреляция данных лабораторных исследований с клиническими бывает достаточно полной, а терапия - эффективной при изучении в динамике не только клинического течения процесса, но и возможной смены возбудителя или его чувствительности к антибиотикам.

Концентрация антибиотиков в тканях и жидкостях организма, как и их антимикробная активность, относятся к основным параметрам, определяющим эффективность антибиотикотерапии. При ее изучении наиболее широко применяют микробиологические методы исследования, основанные на способности антибиотика задерживать рост тест-микроба. Среди микробиологических методов определения концентраций антибиотиков в жидкостях и тканях организма наибольшее распространение получили метод диффузии в агар и метод серийных разведений в жидкой питательной среде.

В настоящее время созданы микробиологические системы, автоматизированной и полуавтоматизированной микробиологические, идентификации и оценки антибиотикоустойчивости, позволяющие существенно ускорить бактериологический анализ, повысить степень его точности. Имеются ускоренные физико-химические и химические методы (иммуноферментный, иммунофлюоресцентный и др.) изучения фармакокинетики антибиотиков, помогающие быстро оптимизировать схемы лечения, индивидуализировать их и повысить эффективность этиотропной терапии.

При выборе антибиотика должны использоваться сведения о минимальных подавляющих концентрациях для отдельных возбудителей болезни, которые могут быть разными как по отношению к виду микроба, так и к различным тканям (средам) организма больного. На практике терапевтическая активность достигается при назначении антибактериальных препаратов в дозах, обеспечивающих более высокий их уровень в средах преимущественного обитания возбудителей болезни.

Устойчивость микроорганизмов к действию антибиотиков вызвана несколькими причинами. В основном они сводятся к следующим. Во-первых, в любой совокупности микроорганизмов, сосуществующих на каком-то определенном участке субстрата, встречаются естественно устойчивые к антибиотикам варианты (примерно одна особь на миллион). При воздействии антибиотика па популяцию основная масса клеток гибнет (если антибиотик обладает бактерицидным действием) или прекращает развитие (если антибиотик обладает бактериостатическим действием). В то же самое время устойчивые к антибиотику единичные клетки продолжают беспрепятственно размножаться. Устойчивость к антибиотику этими клетками передается по наследству, давая начало новой устойчивой к антибиотику популяции. В данном случае происходит селекция (отбор) устойчивых вариантов с помощью антибиотика. Вовторых, у чувствительных к антибиотику микроорганизмов может идти процесс адаптации (приспособления) к вредному воздействию антибиотического вещества. В этом случае может наблюдаться, с одной стороны, замена одних звеньев обмена веществ микроорганизма, естественный ход которых нарушается антибиотиком, другими звеньями, не подверженными действию препарата. При этом микроорганизм также не будет подавляться антибиотиком. С другой — микроорганизмы могут начать усиленно вырабатывать вещества, разрушающие молекулу антибиотика, тем самым нейтрализуя его действие. Например, ряд штаммов стафилококков и спороносных бактерий образует фермент пенициллиназу, разрушающий пенициллин с образованием продуктов, не обладающих антибиотической активностью. Это явление называется энзиматической инактивацией антибиотиков.

Многие антибиотики постепенно утратили свою эффективность в связи с возникновением у микроорганизмов устойчивости к ним. Естественная устойчивость обусловлена отсутствием у микроорганизмов "мишени" для действия антибиотиков, т.е. отсутствием у микроорганизмов такого звена в цепи метаболических реакций, которое блокировалось бы под действием антибиотиков. Приобретенная устойчивость может быть обусловлена мутациями в хромосомных генах, контролирующих синтез компонентов клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, рибосомальных или транспортных белков. Такого рода мутации делают клетку неуязвимой для антибиотиков.

34.

Конструктивный метаболизм (пластический обмен)

Углеродные соединения. Для биосинтеза клеточных компонентов необходимы соответствующие низкомолекулярные соединения-предшественники. При наличии таких предшественников в окружающей среде они непосредственно вовлекаются в различные биосинтетические пути. Однако гораздо чаще бактериям приходится предварительно синтезировать большую часть молекул-предшественников из доступных исходных продуктов. Исходные продукты для биосинтеза образуются в ходе различных путей катаболизма, включая гликолиз, пентозофо-фатный путь, окисление пирувата и ЦТК. Автотрофы из CO2 синтезируют глюкозу. Гетеротрофы из углеродосодержащих соединений

Биосинтез аминокислот. Большинство свободно живущих бактерий способно синтезировать все необходимые им аминокислоты из пирувата, кетоглутарата, фумарата. Теоретически все 20 необходимых аминокислот могут находиться в окружающей среде и быть доступными для утилизации. Кроме того, бактерии способны получать аминокислоты из белковых молекул, расщепляя их бактериальными протеазами и пептидазами. Образующиеся при этом олигопептиды и аминокислоты транспортируются в клетку, где включаются в биосинтетические пути либо расщепляются на низкомолекулярные продукты. Паразитические бактерии потребляют готовые аминокислоты из организма хозяина.

Биосинтез липидов. К ацилпереносящим белкам присоединяются ацильные фрагменты и получаются тиоэфиры. Последовательное удлинение приводит к образованию высших жирных кислот

Энергетический обмен.

Однако подавляющее большинство прокариот получает энергию пу-
тем дегидрогенирования. Аэробы для этой цели нуждаются в свободном кислороде.
Облигатные (строгие) аэробы 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 дегидрогеназ. При этом, если конечным акцептором электронов является кислород, выделяются значительные количества энергии

Анаэробы получают энергию при отсутствии доступа кислорода путем ускоренного, но не полного расщепления питательных веществ. Облигатные анаэробы (столбняк,ботулизм) не переносят даже следов кислорода. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков и липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата. При этом выделяется сравнительно небольшое количество энергии.

Существуют факультативные анаэробы, которые могут расти и размножаться как в присутствии кислорода воздуха, так и без него. Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании.

Понятие о конструктивном и энергетическом обмене Метаболизмом или обменом веществ называется сумма целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые регулируются различными внешними и внутренними факторами, и обеспечивающих обмен веществами и энергией между средой обитания и клеткой. три основныч метаболическич путя: 1. Из внешней среды в клетку поступает энергия либо в виде химической энергии органических веществ, либо в виде энергии солнечного света.2. Из веществ среды, перенесенных в клетку, собираются «строительные блоки», из которых формируются биополимеры клетки и синтезируются белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие клеточные компоненты.3. В клетке постоянно происходят синтез и разрушение биомолекул, выполняющих различные специфические функции. Обмен веществ можно рассматривать как сумму двух явлений: • катаболизма (энергетического обмена), представляющего собой ферментативное расщепление крупных органических молекул с выделением свободной энергии, которая запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ; • анаболизма (конструктивного обмена), представляющего собой синтез биополимеров клетки и протекающего с затратой энергии. Энергетический обмен тесно связан с конструктивным В ходе биологического окисления образуются разнообразные промежуточные продукты (фосфорные эфиры сахаров, пировиноградная, уксусная, щавелевоуксусная, янтарная, a-кетоглутаровая кислоты), из которых вначале синтезируются монополимеры (аминокислоты, азотистые основания, моносахариды), а затем основные макромолекулы клетки. Синтез компонентов клетки идет с затратой энергии, которая образуется при энергетическом обмене. Взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена заключается и в том, что процессы биосинтеза, кроме энергии, требуют поступления извне восстановителя в виде водорода, источником которого также служат реакции энергетического обмена.Скорость течения реакций и в целом обмен веществ клетки зависят от состава питательной среды, условий культивирования микроорганизмов и, главное, от потребности клетки в каждый данный момент в энергии (АТФ) и «строительных блоках». Регуляция метаболизма в микробной клетке имеет сложную взаимозависимую систему, которая «включает» и «выключает» определенные ферменты с помощью самых различных факторов: рН среды, концентрации субстратов, некоторых промежуточных и конечных метаболитов и т.д.

35. Поступление питательных веществ в клетку. Микроорганизмы могут использовать питательные вещества лишь в том случае, если они проникают внутрь клетки. Микроорганизмы могут потреблять питательные вещества только в растворенном виде (в воде или липидах). Низкомолекулярные вещества легко проникают в клетку. Органические высокомолекулярные вещества могут поступать в клетку после предварительного расщепления их на более простые под действием экзоферментов (в основном гидролаз). ЦПМ является основным осмотическим барьером. Через протеиновую часть ЦПМ проходят вещества, растворимые в воде, через липидную – растворимые в липидах. Пассивная (простая) диффузия – поступление веществ в клетку происходит в результате процесса диффузии. Так поступают в клетку очень немногие соединения, в основном молекулы воды, газов и некоторые ионы. Процесс идет до выравнивания концентраций веществ в наружной среде и в клетке, или до выравнивания электролитических потенциалов, если поступают ионы. Такой механизм не мог бы обеспечить клетку нужным набором питательных веществ (особенно, если их мало в окружающей среде). Кроме того, в клетку могли бы поступать вредные вещества при наличии их в окружающей среде в концентрации, превышающей внутреннюю.При поступлении воды в клетку ЦПМ находится в набухшем состоянии и плотно прижата к клеточной стенке. Такое постоянное упругое состояние клеточного содержимого называется тугор. Это одно из необходимых условий роста клетки. Повышенная концентрация питательных веществ в среде (добавление поваренной соли или сахара) приводит к обезвоживанию клетки, она переходит в состояние расслабленности и вялости, ЦПМ сокращается и отходит от оболочки. Такое явление называется плазмолизом. Явление обратное плазмолизу – плазмоптиз, когда концентрация раствора значительно ниже концентрации содержимого клетки (дистиллированная вода). Содержимое клетки разбухает, форма ее меняется. Плазмоптиз также вреден для клетки. Облегченная диффузия – поступление питательных веществ в клетку осуществляется с помощью специальной системы, включающей белки-переносчики – пермеазы Энергия на перенос не затрачивается.. Процесс идет до выравнивания концентраций вещества по обе стороны ЦПМ. Чаще всего такой механизм обеспечивает выход растворенных веществ из клетки. Скорость выхода веществ увеличивается с увеличением количества этих веществ внутри клетки. Активный транспорт (перенос) микробная клетка способна накапливать необходимые вещества независимо от их концентраций в окружающей среде. Процесс строго специфичен, идет с большой затратой энергии, с участием пермеаз. Существует конститутивный и индуцибельный механизмы. Конститутивный механизм широко распространен у пермеаз аминокислот, индуцибельный – у пермеаз углеводов. Можно выделить следующие этапы: 1) рецепция, т.е.образование комплекса с активным центром переносчика; 2) собственно перенос, или транслокация; 3) диссоциация комплекса с освобождением субстрата; 4) регенерация транспортной системы. Большинство питательных веществ поступает в клетки микроорганизмов путем активного переноса. На процесс оказывают влияние температура, рН, некоторые химические вещества, аэрация.

36.Источники углерода автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы (греч. autos – сам, trophe – пища) в качестве единственного источника углерода используют СО₂ и из этого простого неорганического соединения синтезируют все необходимые биополимеры. Способность к биосинтезу у автотрофов самая высокая. Гетеротрофы (греч. heteros – другой) нуждаются в готовых органических соединениях. В зависимости от источника углерода и энергии микроорганизмы делят на шесть групп. Фотоавтотрофы используют солнечную энергию для синтеза органических соединений из СО₂. Фотогетеротрофы используют солнечную энергию для усвоения углерода, связанного в органических соединениях. К ним относятся некоторые пурпурные и зеленые бактерии. Хемолитоавтотрофы используют энергию окисления минеральных веществ для синтеза органических веществ клетки из СО₂, т.е. могут расти только за счет неорганических соединений. Хемоорганоавтотрофы для получения энергии окисляют органические соединения, а в качестве основного источника углерода используют СО₂. Хемолитогетеротрофы для обеспечения себя энергией окисляют минеральные соединения, а в качестве питания используют углерод органических соединений. Хемоорганогетеротрофы используют органическое вещество одновременно как источник питания и как источник углерода. К ним относится большинство бактерий - гнилостные, возбудители брожений, патогенные микроорганизмы, грибы. Сапрофиты (греч. sapros – гнилой, phyton - растение), или метатрофы – это гетеротрофы, питающиеся продуктами жизнедеятельности других организмов, или использующие органические вещества отмерших растений и животных.. Паразиты (паратрофы) – гетеротрофы, это организмы, питающиеся за счет органического вещества живого организма-хозяина.. Олиготрофы –особая группа гетеротрофных микроорганизмов, которые могут расти только при низких концентрациях органических веществ в среде. Обычно такие микроорганизмы являющиеся обитателями водоемов. Миксотрофы – бактерии, обладающие способностью при изменении условий внешней среды переключаться с одного типа питания на другой.

38. Источники азота. Азот необходим микроорганизмам для синтеза нуклеиновых кислот, белков. полимеров клеточной стенки, т.е. для формирования аминных (-NН₂) и иминных (-NН-) групп в молекулах азотсодержащих органических соединений клетки. В качестве источника азота микроорганизмы используют минеральные и органические соединения и в зависимости от этого делятся на две группы – аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Аминоавтотрофы строят азотсодержащие компоненты либо из минеральных веществ, либо из аминых групп, оторванных от органических субстанций. Процесс восстановления молекулы азота до аммиака требует больших затрат энергии и идет через ряд промежуточных продуктов. Аминогетеротрофы сроят белки из готовых аминокислот. Для этого они используют сложные белковые субстраты, пептоны или отдельные аминокислоты. Бактерии, использующие азот белковых веществ, предварительно гидролизуют их до простых продуктов с помощью протеолитических экзоферментов. В готовых аминокислотах нуждаются патогенные микроорганизмы, а также молочнокислые бактерии Если в питательной среде недостает хотя бы одной аминокислоты, то микроорганизмы переходят на аминоавтотрофный способ существования и создают недостающую аминокислоту путем перестройки других аминокислот, отрывая от них аминную группировку, либо синтезируя ее из органических кислот и аммиака.

39.Макро- и микроэлементы выполняют функции стабилизаторов коллоидного состояния цитоплазмы, являются активаторами ферментов. к макроэлементам относятся S, P, K, Ca, Mg, Mn, Fe, среди микроэлементов наиболее существенными являются Zn, Co, Mo, Cu, J, Вr. Сера необходима для синтеза серусодержащих аминокислот и некоторых коферментов. Она обычно потребляется микроорганизмами в окисленной форме в виде сульфатов и восстанавливается в процессе метаболизма. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, коферментов, фосфолипидов, тейхоевых кислот и др. Микроорганизмам фосфора требуется много и получают они его из различных фосфорнокислых солей. Кальций входит в состав эндоспор бактерий, является кофактором для некоторых ферментов (например, протеаз). Магний присутствует в клеточных стенках, мембранах. Железо содержится в цитохромах, каталазе и других ферментах. Факторы роста При добавлении этих веществ в питательную среду активизируется рост микроорганизмов. К факторам роста относятся пурины, пиримидины, жирные кислоты, аминокислоты, витамины (в основном группы В). Большинство микроорганизмов обладает способностью самостоятельно синтезировать факторы роста. Но иногда эта способность может быть нарушена, и тогда эти соединения необходимо добавлять в питательную среду в готовом виде. Микроорганизмы, неспособные самостоятельно синтезировать какое-либо соединение, относящееся к факторам роста, называются ауксотрофными в отношении этого соединения (прототрофные микроорганизмы способны сами синтезировать факторы роста).. Ауксотрофность может меняться в зависимости от условий культивирования. На нее оказывает влияние рН среды, наличие кислорода, температура, химический состав среды и др.

40. Ферменты микроорганизмов Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью и играющие важную роль в обмене веществ микроорганизмов. Различаются ферменты однокомпонентные, представляющие собой простые белки (протеины) и двухкомпонентные, представляющие собой сложные белки (протеиды). Двухкомпонентные белки состоят из белковой части (апофермента) и небелковой части (кофактора). специфичность их действия – один и тот же фермент действует. Узнавание субстрата ферментом происходит в процессе связывания. Субстрат присоединяется в совершенно определенном участке молекулы фермента – каталитическом центре. Субстрат и фермент подходят друг к другу, как ключ к замку. Небелковая группа определяет каталитическую активность. В качестве активной группы выступает либо коферменты, либо простетическая группа. Коферментылегко отделяются от белковой части и способны к самостоятельному существованию, простетическая группа прочно связана с белковой частью и не отделяется от нее. Апофермент усиливает каталитическую активность кофакторов.В настоящее время известно более 2000 ферментов. Оксидоредуктазы. Эти ферменты катализируют окислительно-восстановительные процессы, к ним относятся дегидрогеназы, цитохромы, оксидазы, пероксидаза, каталаза. Дегидрогеназы катализируют реакции отрыва водорода от молекулы субстрата (окисление) и перенос его на другое вещество (восстановление). Первичные (анаэробные) дегидрогеназы содержат в качестве коферментов пиридиновые производные. Вторичные (аэробные) дегидрогеназы содержат в качестве активных группировок флавиновые производные, Цитохромы содержат атомы железа и обеспечивают протекание окислительно-восстановительных реакций в результате перехода железа из двухвалентного состояния в трехвалентное, т.н.являются переносчиками электронов Каталаза катализирует расщепление пероксида водорода до воды и молекулярного кислорода. Пероксидаза катализирует также окисление пероксидом водорода органических веществ клетки. В обоих случаях происходит расщепление перекиси водорода. Трансферазы. ферменты, катализирующие перенос группировок с одной молекулы на другую. Гексокиназы переносят фосфорные группировки, что обеспечивает фосфорилирование сахаров – пусковые реакции утилизации углеводов. Трансаминазы катализируют реакции переноса аминогрупп от аминокислот к кетокислотам, обеспечивая синтез необходимых клетке аминокислот. Исключительно важную роль в процессах переноса играет кофермент А. Назван он так потому, что впервые был идентифицирован как переносчик ацильного (уксусного) радикала СН₃СО^-. Гидролазы. Ферменты обеспечивают расщепление сложных соединений с одновременным присоединением воды. Пептидгидролазы – многочисленные протеолитические ферменты, обеспечивающие разложение микроорганизмами белков различного происхождения. Эстеразы – гидролазы, разрушающие сложноэфирные связи. Сюда входят липазы, катализирующие гидролиз жиров до глицерина и жирных кислот, пектинэстеразы, катализирующие расщепление пектиновых субстратов. Гидролиз полисахаридов осуществляют в основном амилазы и целлюлазы. Лиазы. Эти ферменты катализируют негидролитическое отщепление атомных группировок с образованием двойных связей или присоединение группировок по месту этих двойных связей. У микроорганизмов активны декарбоксилазы, отщепляющие карбоксильную группу от аминокислот. Эти ферменты характерны для гнилостных микроорганизмов. В углеводном обмене важную роль играет альдолаза, обеспечивающая центральную реакцию превращения углеводов – расщепление гексозы на две триозы. Изомеразы. Эти ферменты катализируют внутримолекулярные превращения, например, превращения одного изомера в другой. Триозофосфатизомераза обеспечивает взаимопревращения триоз, образующиеся при расщеплении гексоз. Галактозофосфатизомераза катализирует превращение галактозы в глюкозу. Лигазы (синтетазы). Они обеспечивают реакции синтеза, сопровождаемые отщеплением остатков фосфорной кислоты от трифосфатов, например, АТФ. Благодаря этим ферментам синтезируются аминокислоты, ацетил-КоА, происходит карбоксилирование органических кислот.Ферменты локализуются в микробной клетке в различных структурных элементах Характеристикап констутивных адаптивных эндо- и экзоферментов. Конститутивные ферменты с постоянной скоростью синтезируются в клетке независимо от наличия в среде субстрата, на который распространяется их действие. Индуцибельные (адаптивные) ферменты – это такие, которые активно синтезируются только в том случае, когда имеется субстрат, превращение которого они катализируют.По действию ферменты подразделяются на эндо- и экзоферменты. Эндоферменты прочно связаны с клеточными структурами и функционируют только внутри клетки. Они катализируют реакции биосинтеза и энергетического обмена, происходит самопереваривание, или автолиз клетки. При разрушении клетки ферменты поступают в окружающую среду. Экзоферменты свободно выделяются в окружающую среду. К ним относятся ферменты, катализирующие расщепление сложных органических веществ на более простые. могут быть средством, с помощью которого микроб-паразит внедряется в тело хозяина; могут иметь защитное значение, инактивируя в среде вредные для клетки вещества.

41. Энергетический обмен у микроорганизмов.. Все живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главные материальные носители ее – химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Энергетический уровень химических связей неодинаков. Для одних он имеет величину порядка 8-10 кДж, такие связи называются нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия (25-40 кДж), такие связи называются макроэргическими. Почти все известные соединения, обладающие макроэргическими связями, включают атомы фосфора или серы, которые участвуют в образовании этих связей.Важнейшую роль в жизнедеятельности клетки играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), в состав молекулы которой входит аденин, рибоза (дают соединение аденозин) и три остатка фосфорной кислоты. Это основной аккумулятор энергии в клетке. Как химически высокостабильное соединение АТФ удобна для сохранения энергии, в то же время термодинамическая неустойчивость АТФ обеспечивает ее пригодность для быстрой мобилизации запасенной в ней энергии. Малые размеры АТФ способствуют быстрому перемещению ее в различные части клетки. При гидролизе АТФ происходит внутримолекулярное перераспределение энергии, избыток ее выделяется и используется клеткой Процесс образования АТФ называется фосфорилированием. Фосфорилирование бывает фотосинтетическое, окислительное и субстратное. Фосфорилирование осуществляется у прокариот на цитоплазматической мембране, у эукариот – в митохондриях. Фотосинтетическое фосфорилирование происходит при фотосинтезе и вязано со способностью некоторых микроорганизмов превращать в результате сложных реакций энергию света непосредственно в макроэргические связи АТФ. Окислительное фосфорилирование идет сопряжено с реакциями биологического окисления в клетках микроорганизмов, при этом может происходить как окисление органических веществ, так и окисление неорганических веществ. Субстратное фосфорилирование имеет место в анаэробных условиях в процессах брожения, когда происходит перестройка сбраживаемого субстрата при участии ферментов. Фототрофные (фотосинтезирующие) – это микроорганизмы, использующие энергию солнечного света, хемотрофные (хемосинтезирующие) – это микроорганизмы, использующие энергию химических реакций. Литотрофы, или хемолитотрофы (лат. litos – камень) – это микроорганизмы, использующие энергию окисления минеральных веществ, органотрофы, или хемоорганотрофы – это использующие энергию окисления органических веществ.

42.Кислород. Облигатные (строгие) аэробы для осуществления процессов метаболизма нуждаются в молекулярном кислороде. Облигатные (строгие) анаэробы не используют молекулярный кислород. Он для них токсичен. Безкислородные условия можно создать кипячением среды, химическими веществами, активно поглощающими кислород. Факультативные анаэробы могут жить как при отсутствии, так и при наличии кислорода в среде. К факультативным анаэробам относятся большинство сапрофитных и патогенных микроорганизмов. Микроаэрофилы составляют группу микро-организмов, живущих при низких концентрациях кислорода. Степень аэробности или анаэробности может быть охарактеризована количественно при помощи окислительно-восстановительного потенциала rН₂. Шкала rН₂ от 0 до 41 характеризует любую степень аэробности. При rН₂ = 0 – насыщение среды водородом, rН₂ = 41 – насыщение кислородом. Облигатные аэробы развиваются при rН₂ не ниже 10, однако и rН₂ выше 30 для них неблагоприятны. Облигатные аэробы защищаются от чрезмерного окисления выделением в среду сильных восстановителей. Облигатные анаэробы размножаются при rН₂ не выше 3-5, факультативные анаэробы–от 0 до 30.

43. Углерод – основной из биогенных элементов. Первоисточником синтеза любого органического вещества служит СО₂ воздуха. Содержание СО₂ в воздухе постоянно и составляет 0,03% от общего количества газов. Запасы СО₂ в процессе фотосинтеза могут быть исчерпаны на протяжении 30 лет. Однако в природе постоянно происходит обратный процесс, в результате которого углерод органических соединений возвращается в воздух в виде СО₂. Это постоянство СО₂ поддерживается как физико-химическими, так и биологическими процессами. Началом круговорота углерода является его фиксация зелеными растениями и автотрофными микроорганизмами. Образовавшиеся в процессе фото- и хемосинтеза углеводы частично используются этими же микроорганизмами для получения энергии, при этом СО₂ (продукт реакции окисления) выделяется в атмосферу, либо образовавшиеся углеводы используются микроорганизмами-спутниками также с последующим выделением СО₂. Часть фиксированного растениями СО₂ потребляется человеком и животными, которые выделяют его в процессе дыхания. Разложение углеводов растений микроорганизмами – основной процесс. Таким образом, осуществляет постоянный круговорот, в котором микроорганизмы играют роль хранителей равновесия.

44. Молочнокислое брожение Молочнокислое брожение – это анаэробное превращение углеводов с образованием молочной кислоты. Существуют два вида молочнокислого брожения - гомоферментативное и гетероферментативное. Вызываются эти виды брожения соответственно гомоферментативными и гетероферментативными молочнокислыми бактериями (МКБ). Гомоферментативное молочнокислое брожение. Сначала расщепление глюкозы идет по ЭМП пути (гликолиз). Гомоферментативные МКБ синтезируют фермент лактатдегидрогеназу и используют ПВК в качестве акцептора водорода, восстанавливая ее до молочной кислоты:

ЭМП-путь ЛДГ

С₆Н₁₂О₆ → 2 СН₃СОСООН + 2 НАДН₂ → 2 СН₃СНОНСООН + НАД⁺

Гетероферментативное молочнокислое брожение. Гетероферментативные МКБ не имеют альдолазы и триозофосфатизомеразы – основных ферментов, необходимых для расщепления углеводов по ЭМП-пути, поэтому эти микроорганизмы метаболизируют глюкозу по ГМФ-пути. При гетероферментативном молочнокислом брожении одновременно с образованием молочной кислоты происходит накопление этилового спирта, СО₂, уксусной кислоты и других продуктов. Это зависит от вида микроорганизма, условий культивирования (рН, температура, степень аэрации) и других факторов. Например:

2 С₆Н₁₂О₆→СН₃СНОНСООН+СООНСН₂СН₂СООН+СН₃СООН+СН₃СН₂ОН+Н₂

Молочнокислые бактерии – это бактерии, способные образовывать в качестве главного продукта брожения молочную кислоту. В группу МКБ объединены различные по систематическому положению микроорганизмы: молочнокислые кокки(представители родов Lactococcus, Pediococcus, Aerococcus, Leuconostoc), молочнокислые палочки (род Lactobacillus). МКБ широко распространены в природе. Они встречаются на различных растениях, в почве (в верхних слоях), в ризосфере растений, в желудочном тракте теплокровных животных и человека, в силосе, муке, овощах, сыром молоке, молочных продуктах, различных квашенных продуктах. На основе живых культур лактобактерий изготовлены многочисленные пробиотические препараты, большинство из них предназначено для коррекции микрофлоры организма человека.

45. Спиртовое брожение Спиртовое брожение вызывают различные дрожжи и некоторые бактерии. Перед началом спиртового брожения олигосахара вначале гидролизуются соответствующими ферментами дрожжей до гексоз. Затем гликолитическим путем осуществляется расщепление гексоз и образование ПВК. Под действием пируватдекарбоксилазы микроорганизмов от ПВК отщепляется СО₂ и образуется Ацетальдегид служит конечным акцептором водорода. Он восстанавливается в этанол при участии фермента алкогольдегидрогеназы. Брожение предполагает строгое равновесие процессов окисления и восстановления. Спиртовое брожение протекает наиболее интенсивно в кислой среде (рН 4,0-4,5), при температуре 30⁰С и концентрации сахара 10-15%. Повышенная концентрация сахара приводит к замедлению, а затем прекращению процесса.

46. Маслянокислое брожение Маслянокислое брожение – это процесс превращения бактериями в анаэробных условиях углеводов, спиртов и других органических веществ в масляную кислоту (бутират). Суммарное уравнение процесса: С₆Н₁₂О₆ → СН₃СН₂СН₂СООН + 2 СО₂ + Н₂ + Эн.. Маслянокислые бактерии обитают там, где много органического вещества и нет доступа воздуха – в иловых отложениях водоемов, в почве, в скоплениях разлагающихся отбросов, в навозе, в сточных жидкостях и т.п. Развитее этих бактерий в почве, где достаточно воздуха, становится возможным благодаря симбиозу с аэробными бактериями, использующими кислород. Маслянокислое брожение играет важную роль в цепи превращений органических веществ при минерализации. Возбудители маслянокислого брожения относятся к роду Clostridium (C.butyricum, C.saccharodutyricum, C.amylobacter). Это строгие анаэробы. Они образуют споры, отличающиеся высокой устойчивостью. По отношению к источникам азота маслянокислые бактерии весьма неприхотливы, они усваивают белковый, аминокислотный и аммонийный азот, а некоторые – азот воздуха. Бактерии C.butyricum – возбудители типичного маслянокислого брожения. Это подвижные крупные грамположительные анаэробные палочки, споры располагаются центрально или субтерминально. Споры могут выдерживать кипячение в течение нескольких минут. Оптимальная температура развития бактерий 30-40⁰С, оптимальная рН - 6,9-7,4, при рН 4,5 они прекращают развитие. Бактерии C.pasteurianum по многим свойствам сходны с C.butyricum, но более кислотоустойчивые и не сбраживают крахмал, способны усваивать атмосферный азот.

47. Разложение клетчатки Клетчатка (целлюлоза) является наиболее распространенным природным биополимером. Клетчатка – полисахарид, она состоит из соединенных β-1,4-гликозидными связями остатков α- и β-глюкозы, число которых колеблется от 300 до 3000. Молекулы клетчатки представляют собой длинные неразветвленные цепочки, соединенные в пучки (фибриллы). Эти фибриллы образуют волокна, покрытые общей оболочкой, пропитанной воском или пектином. Отмершие части растений попадают в почву и там подвергаются разрушению. Разрушение клетчатки осуществляют бактерии, грибы и актиномицеты. Трансформация клетчатки идет в разных условиях аэрации, при неодинаковой температуре и при различной рН среды. Клетчатка, как и другие высокомолекулярные соединения, не может проникнуть в микробную клетку в неизменном виде и должна быть расщеплена ферментами микроорганизмов на более простые вещества. Процесс разрушения клетчатки начинается с ферментативного гидролиза. Процесс сопровождается выделением большого количества энергии. Из плесневых грибов активно окисляют целлюлозу плесневые грибы родов Fusarium,Trichoderma, Aspergillus. Среди бактерий основная роль в аэробном распаде целлюлозы принадлежит представителям порядка Myxobacteriales (лат. myxo – слизь) и порядка Cytophagales. Миксобактерии – облигатные аэробы, хемоорганотрофы. Они характеризуются высокой активностью литических ферментов, обуславливающих гидролиз молекул полисахаридов (целлюлоза, хитин), белков, нуклеиновых кислот, эфиров жирных кислот. Благодаря этому миксобактерии активно разрушают мертвые растительные остатки. Бактерии имеют тонкие эластичные клеточные стенки, образующие слизь, которая окружает клетку. Это грамотрицательные микроорганизмы, они не имеют жгутиков, передвигаются скольжением по плотной поверхности субстрата. Размножаются бинарным поперечным делением. Миксобактерии образуют скопления из клеток и слизи – плодовые тела. Внутри плодовых тел клетки переходят в покоящееся состояние – миксоспоры (несветопреломляющие и почти не отличаются от вегетативных клеток) и микроцисты (светопреломляющие, инкапсулированные, сферические, эллипсоидные или укороченные палочки).Основная роль в аэробном распаде целлюлозы принадлежит в основном родам Cytophaga, Sporocytophaga. Sprangium. Целлюлоза этими микроорганизмами в окружающую среду не выделяется, а сконцентрирована на поверхности клеток, поэтому гидролиз клетчатки происходит при непосредственном соприкосновении бактерий с целлюлозными волокнами. Продукты гидролиза в среде не накапливаются, а немедленно окисляются до СО₂ и воды. Аэробное расщепление клетчатки осуществляют также вибрионы рода Cellvibrio, актиномицеты родов Micromonospora, Streptomyces и др.В анаэробных условиях продукты гидролиза клетчатки сбраживаются микроорганизмами по типу маслянокислого брожения с образованием масляной, муравьиной, янтарной, молочной, уксусной кислот, этилового спирта, молекулярного водорода и СО₂. Мезофильные целлюлозоразрушающие бактерии – Clostridium omelianskii. Это длинные тонкие неподвижные палочки. Спорообразующие анаэробы. оптимальная температура их развития 30-35⁰С. Они были выделены впервые В.Л. Омелянским в 1902 г. Термофильные целлюлозоразрушающие бактерии – Clostri-dium thermocellum. Спорообразующие анаэробы. Оптимальная температура их развития около 60⁰С, максимальная - 70⁰С. Эти микроорганизмы подробно изучены А.А.Имшенецким. Целлюлозоразрушающие клостридии широко распространены в природе – почве, компостах, навозе, речном иле, сточных водах. Брожение с обильным выделением газа встречается в закрытых водоемах, болотах (болотный газ). Это биохимические процессы имеют большое значение в круговороте углерода в природе, в образовании гумуса (перегноя) почвы и водоемов.

48.Разложение пектиновых веществ Пектиновые вещества входят в состав срединных пластинок, склеивающих клетки в тканях растений. Особенно много пектиновых веществ в плодах, ягодах, корнеплодах. Эти вещества представляют собой гетерогенные полисахариды, в основе молекулы которых лежит цепь полигалактуроновой кислоты, соединенной с нейтральными сахарами. Пектиновые вещества различных растений, а также разных органов растений заметно различаются по своему составу. Разложение пектиновых веществ происходит при участии пектинолитических ферментов микроорганизмов. Различают три группы пектиновых веществ: протопектин – водонерастворимый компонент клеточной стенки растений. Под влиянием фермента протопектиназы превращается в растворимый пектин; пектин – водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащий метилэфирные связи (пектинметилэстераза разрушает пектин до пектиновой кислоты и метилового спирта); пектиновая кислота – водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей.Процесс разложения пектиновых веществ начинается с ферментативного гидролиза, который вызывается бактериями, актиномицетами и грибами:

С₄₈Н₆₈О₄₀+ Н₂О →4СНО(СНОН)₄СООН+С₆Н₁₂О₆+ С₅Н₁₀О₅+ С₆Н₁₂О₆+ 2СН₃ОН+ 2СН₃СООН

пектиновая к-та галактуроновая к-та галактоза ксилоза арабиноза метанол уксусная к-та

В анаэробных условиях продукты гидролиза пектиновых веществ (галактоза, ксилоза, арабиноза) сбраживаются по типу маслянокислого брожения. Состав конечных продуктов определяется видом микроорганизма. Наиболее активно брожение пектиновых веществ происходит при участии бактерий Clostridium (C.pectinovoriu, C.felsineum). Clostridium pectinovoriu – крупные палочки (4-8 мкм), одиночные или в цепочках, плектридиальный тип спорообразования. Оптимальная температура их роста 30⁰С, продуктами брожения являются масляная и уксусная кислоты, а также СО₂ и Н₂. При накоплении кислот в среде эти клостридии прекращают активное развитие. Продолжают далее разрушение пектиновых веществ Clostridium felsineum, так как они являются более кислотоустойчивыми. Кроме указанных продуктов, эти бактерии образуют некоторое количество ацетона и бутанола. Они более мелкие палочки (3-5 мкм), располагаются одиночно или парами, клостридиальный тип спорообразования, оптимальная температура 37⁰С. Происходит размягчение и распад растительных тканей (мацерация). Бактерии имеют также практическое значение, так как обуславливают мацерацию прядильных растений (льна, конопли). Они используются в качестве закваски для мочки прядильных растений.В аэробных условиях продукты гидролиза пектиновых веществ окисляются до СО₂ и воды грибами Mucor stolonifer, Cladosporium herbarum, Alternaria sp., бактериями Bacillus subtilis, B.masentericus.

49.Разложение липидов Липиды встречаются в растительных и животных клетках в виде запасов питательных веществ. По химическому составу это чаще всего глицериды – сложные эфиры глицерина и жирных кислот. В почву и водоемы липиды попадают с остатками растений и животных. Жиры рыб, морских животных и растительных масел характеризуются большим количеством ненасыщенных жирных кислот и поэтому подвергаются быстрому окислению. Многие микроорганизмы имеют фермент липазу, катализирующую гидролиз жиров до глицерин и жирных кислот (липаза – фермент класса гидролаз, группы эстераз, разрушающей сложноэфирные связи). Под действием этих ферментов происходит гидролиз жиров с образованием глицерина и жирных кислот. Большинство микроорганизмов легко осуществляют гидролиз липидов до глицерина и жирных кислот, но с трудом разрушают высшие жирные кислоты. Дальнейшее окисление глицерина и жирных кислот идет различными путями.Глицерин фосфорилируется до фосфоглицериновой кислоты. Затем фосфоглицериновая кислота окисляется до фосфоглицеринового альдегида. Фосфоглицериновый альдегид гликолитическим путем превращается в пировиноградную кислоту. Пируват в зависимости от видовой специфичности микроорганизмов подвергается дальнейшим превращениям. Жирные кислотыокисляются медленно. Превращение жирных кислот состоит из ряда β-окислений с участием ферментов липооксигеназ. Уксусная кислота (получающаяся при β-окислении жирных кислот) подвергается дальнейшим превращениям через ряд промежуточных реакций цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса) до СО₂ и воды.Жирные кислоты окисляются с последовательным отделением двух атомов углерода, дающих уксусную кислоту, и с образованием новой жирной кислоты. Новая жирная кислота подвергается снова β-окислению. Это окисление происходит до образования оксикислот, затем до образования кетокислот. Кетокислоты подвергаются декарбоксилированию с образованием алкилметилкетонов. Кроме того в окисленных жирах встречаются альдегиды, моно- и диглицериды, вторичные спирты, лактоны. Липолитические микроорганизмы распространены в почве, воде, воздухе, на продуктах растительного и животного происхождения. Выраженной липолитической активностью обладают бактерии Pseudomonas fluorescens, Achromobacter lipoliticum, представители рода Micrococcus, Streptococcus, грибы родов Aspergillus, Penicillium, Oidium, некоторые дрожжи.

Дата добавления: 2015-08-31