Вопрос 6. Особенности белкового

и углеводного обмена у бактерий

1. Белковый обмен у бактерий:

• процесс синтеза собственных аминокислот и белков путем асси­миляции необходимых компонентов из внешней среды;

• внеклеточное расщепление белков под воздействием различных ферментов.

Если расщепление белков происходит в анаэробных условиях, то процесс называется гниением.

Если в аэробных условиях — тлением.

При наличии у бактерий протеаз белки расщепляются ими до промежуточных продуктов распада — пептонов.

При наличии пептидаз пептоны расщепляются ими до амино­кислот и продуктов их распада (аммиака, сероводорода, индола).

Протеолитические (способность расщеплять белки) и пептоли-тические (способность расщеплять пептоны) свойства выражены далеко не у всех бактерий, поэтому их изучение в совокупно­сти с другими ферментативными свойствами помогает иден­тифицировать бактерии.

2. Углеводный обмен у бактерий также носит двоякий характер —
это процесс синтеза и распада углеводов.

Расщепление углеводов бактериями (сахаролитические свойст­ва) в аэробных условиях с образованием углекислого газа и воды называется горением, а расщепление ими углеводов в анаэроб­ных условиях — брожением.

В зависимости от характера конечных продуктов разложения углеводов в анаэробных условиях различают брожение:

• спиртовое;

• молочнокислое;

• пропионовокислое;

• муравьинокислое;

• маслянокислое;

• уксуснокислое.

Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует.

Большинство бактерий, осуществляющих брожение, — обли-гатные анаэробы. Однако некоторые из них — факультативные анаэробы — способны осуществлять процесс брожения в при­сутствии кислорода, но без его участия. Более того, кислород подавляет процесс брожения, и оно сменяется горением (дыха­нием — конечный акцептор водорода — кислород).

Этот эффект был назван эффектом Пастера и является одним из классических примеров смены метаболизма у бактерий в за­висимости от условий среды.

3. Синтез биополимеров бактериальной клетки требует энергии. Она образуется в ходе биологического окисления и запасается в виСе молекул макроэргов — АТФ и АДФ.

Органеллами дыхания у большинства бактерий являются про­изводные цитоплазматической мембраны — мезосомы, на кото­рых локализуются специальные дыхательные ферменты типа цитохромоксидаз. Тип биологического окисления является одним из ключевых признаков, позволяющих дифференцировать раз­личные микроорганизмы. По этому признаку выделяют 3 груп­пы бактерий:

• 1-я группа — облигатные аэробы, которые способны получать
энергию только путем дыхания и нуждаются в молекулярном
кислороде как конечном акцепторе электронов. Для них как
тип окислительно-восстановительных процессов характерно
окисление, при котором конечным акцептором электронов яв­
ляется кислород;

• 2-я группа — облигатные анаэробы — бактерии, способные рас­ти только в среде, лишенной кислорода. Для них как тип окисли­тельно-восстановительных процессов характерна ферментация, при которой происходит перенос электронов от субстрата-донора к субстрату-акцептору;

• 3-я группа — факультативные анаэробы — бактерии, способные расти как в присутствии, так и в отсутствие кислорода и ис­пользовать в качестве терминальных акцепторов электронов как молекулярный кислород, так и органические соединения. Среди них могут быть:

• факультативно-анаэробные бактерии, способные переклю­чаться с окисления на ферментацию (энтеробактерии);

• аэротолерантные факультативно-анаэробные бактерии, ко­торые могут расти в присутствии атмосферного кислорода, но не используют его, а получают энергию исключительно с помощью брожения (молочнокислые бактерии).

Вопрос 7. Рост и размножение бактерий

1. Для микробиологической диагностики, изучения микроорганизмов и в биотехнологических целях микроорганизмы культивируют на искусственных питательных средах.

Под ростом бактерий понимают увеличение массы клеток без изменения их числа в популяции как результат скоординирован­ного воспроизведения всех клеточных компонентов и структур.

Увеличение числа клеток в популяции микроорганизмов обозна­чают термином "размножение". Оно характеризуется временем генерации (интервал времени, за который число клеток удваи­вается) и таким понятием, как концентрация бактерий (число клеток в 1 мл).

В отличие от митотического цикла деления у эукариотов раз­множение большинства прокариотов (бактерий) идет путем бинарного деления, а актиномицетов — почкованием.

При этом все прокариоты существуют в гаплоидном состоянии, поскольку молекула ДНК представлена в клетке в единствен­ном числе.

2. При изучении процесса размножения бактерий необходимо J учитывать, что бактерии всегда существуют в виде более или менее многочисленных популяций, и развитие бактериальной по­пуляции в жидкой питательной среде в периодической культуре можно рассматривать как замкнутую систему.

В этом процессе выделяют 4 фазы:

• 1-я — начальная, или лаг-фаза, или фаза задержки размноже­ния, — характеризуется началом интенсивного роста клеток, но скорость их деления остается невысокой;

• 2-я — логарифмическая, или лог-фаза, или экспоненциальная фа­за, — характеризуется постоянной максимальной скоростью деле­ния клеток и значительным увеличением числа клеток в популяции;

• 3-я — стационарная фаза — наступает тогда, когда число клеток в популяции перестает увеличиваться. Это связано с тем, что наступает равновесие между числом вновь образующихся и гибнущих клеток. Число живых бактериальных клеток в попу­ляции на единицу объема питательной среды в стационарной фазе обозначается как М-концентрация. Этот показатель явля­ется характерным признаком для каждого вида бактерий;

• 4-я — фаза отмирания (логарифмической гибели) — характери­зуется преобладанием в популяции числа погибших клеток и про­грессивным снижением числа жизнеспособных клеток популяции. Прекращение роста численности (размножения) популяции микроорганизмов наступает в связи с истощением питательной среды и/или накоплением в ней продуктов метаболизма мик­робных клеток. Поэтому, удаляя продукты метаболизма и/или заменяя питательную среду, регулируя переход микробной по­пуляции из стационарной фазы в фазу отмирания, можно соз­дать открытую биологическую систему, стремящуюся к устра­нению динамического равновесия на определенном уровне развития популяции.

Такой процесс выращивания микроорганизмов называется проточным культивированием (непрерывная культура).

Рост в непрерывной культуре позволяет получать большие массы бактерий при проточном культивировании в специаль­ных устройствах (хемостатах и турбидистатах) и используется при производстве вакцин, а также в биотехнологии для полу­чения различных биологически активных веществ, продуци­руемых микроорганизмами.

Для изучения метаболических процессов на протяжении цикла клеточного деления возможно также использование синхронных культур — таких культур бактерий, все члены популяции кото­рых находятся в одной фазе цикла. Это достигается с помощью специальных методов культивирования.

Однако через несколько одновременных делений синхронизи­рованная клеточная суспензия постепенно снова переходит к асинхронному делению, так что число клеток увеличивается в дальнейшем уже не ступенчато, а непрерывно.

3. При культивировании на плотных питательных средах бакте­рии образуют колонии — видимое невооруженным глазом скопле­ние бактерий одного вида, являющееся чаще всего потомством одной клетки.

Колонии бактерий разных видов отличаются:

• формой;

• величиной;

• прозрачностью;

• цветом;

• высотой;

• характером поверхности и краев;

• консистенцией.

Характер колоний — один из таксономических признаков бактерий.

Вопрос 8. Генетика бактерий

1. Важнейшими признаками живых организмов являются измен­чивость и наследственност ь.

Основу наследственного аппарата бактерий, как и всех других организмов, составляет ДНК (у РНК-содержащих вирусов — РНК).

Наряду с этим наследственный аппарат бактерий и возможно­сти его изучения имеют р яд особенностей:

• бактерии — гаплоидные организмы, т. е. они имеют 1 хромосому.
В связи с этим при наследовании признаков отсутствует явле­
ние доминантности;

• бактерии обладают высокой скоростью размножения, в связи с
чем за короткий промежуток времени (сутки) сменяется не­
сколько десятков поколений бактерий. Это дает возможность
изучать огромные по численности популяции и достаточно
легко выявлять даже редкие по частоте мутации.

Наследственный аппарат бактерий представлен хромосомой.

У бактерий она одна. Если и встречаются клетки с 2, 4 хромо­сомами, то они одинаковые.

Хромосома бактерий — это молекула ДНК. Длина этой молеку­лы достигает 1,0 мм и, чтобы "уместиться" в бактериальной клетке, она не линейная, как у эукариотов, а суперспирализо-вана в петли и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране.

На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены. У кишечной палочки, например, их более 2 тыс.

2. Генотип (геном) бактерий представлен не только хромосом­ными генами. Функциональными единицами генома бактерий,

кроме хромосомных генов, являются:

• IS-последовательности;

• транспозоны;

• плазмиды.

IS-последовательности — короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих тот или иной белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (спо­собность IS-последовательностей перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки).

IS-последовательности одинаковы у разных бактерий.

Транспозоны — это молекулы ДНК, более крупные, чем IS-после­довательности. Помимо генов, ответственных за транспози­цию, они содержат и структурный ген, кодирующий тот или иной признак.

Транспозоны легко перемещаются по хромосоме. Их положе­ние сказывается на экспрессии как их собственных структур­ных генов, так и соседних хромосомных. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы, автономно, но неспособны к автономной репликации.

Плазмиды — кольцевые суперспиралевидные молекулы ДНК. Их молекулярная масса колеблется в широких пределах и может быть в сотни раз больше, чем у транспозонов.

Плазмиды содержат структурные гены, наделяющие бактери­альную клетку разными, весьма важными для нее свойствами:

• R-плазмиды — лекарственной устойчивостью;

• Col-плазмиды — способностью синтезировать колицины;

• F-плазмиды — передавать генетическую информацию;

• Шу-плазмиды — синтезировать гемолизин;

• Тох-плазмиды — синтезировать токсин;

• плазмиды биодеградации — разрушать тот или иной субстрат и т. д.

Плазмиды могут быть интегрированы в хромосому (в отличие от IS-последовательностей и транспозонов, встраиваются в строго определенные участки), а могут существовать автономно. В этом случае они обладают способностью к автономной репликации, и именно поэтому в клетке может быть 2, 4, 8 копий такой плазмиды.

Многие плазмиды имеют в своем составе гены трансмиссивно-сти и способны передаваться от одной клетки к другой при конъюгации (обмене генетической информацией). Такие плаз­миды называются трансмиссивными.

3. Наличие F-плазмиды (фактор фертильности, половой фактор)

придает бактериям функции донора, и такие клетки способны передавать свою генетическую информацию другим, F-клеткам.

Можно сказать, что наличие F-плазмиды является фенотипиче-ским выражением (проявлением) пола у бактерий: с F-плаз-мидой связана не только донорская функция, но и некоторые другие фенотипические признаки — наличие F-пилей {половых ресничек) и чувствительность к fj-фагам. С помощью F-ресни-чек устанавливается контакт между донорскими и реципиент-ными клетками. Через их канал и передается донорская ДНК при рекомбинации. На половых ресничках расположены ре­цепторы для мужских fj-фагов. F-клетки не имеют таких ре­цепторов и нечувствительны к таким фагам.

4. У бактерий различают 2 вида изменчивости — фенотипическую
и генотипическую.

Фенотипическая изменчивость — модификация — не затрагива­ет генотип, но затрагивает большинство особей популяции.

Модификации не передаются по наследству и с течением вре­мени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу через

большее (длительные модификации) или меньшее (кратковре­менные модификации) число поколений.

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В ее осно­ве лежат мутации и рекомбинации.

Мутации бактерий принципиально не отличаются от мутаций эукариотических клеток. Особенностью мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления, так как имеется возможность работать с большими по численности популя­циями бактерий.

По происхождению мутаиии могут быть:

• спонтанными;

• индуцированными. По протяженности:

• точечными;

• генными;

• хромосомными. По направленности:

• прямыми;

• обратными.

Дата добавления: 2014-01-07