Тема 6. Фізіологія росту і живлення мікроорганізмів

Фізіологія мікроорганізмів вивчає життєдіяльність мікробних клітин, процеси їх харчування, дихання, росту, розмноження, закономірності взаємодії з навколишнім середовищем.

Предметом вивчення медичної мікробіології є фізіологія патогенних і умовно-патогенних мікроорганізмів, здатних викликати захворювання людини. З'ясування фізіології цих мікроорганізмів важливо для постановки мікробіологічного діагнозу, розуміння патогенезу, проведення лікування й профілактики інфекційних захворювань, регуляції взаємин людину з навколишнім середовищем і т.д.

Хімічний склад бактерій

До складу мікроорганізмів входять вода, білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди, мінеральні речовини.

Вода – основний компонент бактеріальної клітини, що становить близько 80 % її маси. Вона перебуває у вільнім або зв'язаному стані зі структурними елементами клітини. У суперечках кількість води зменшується до 18.20 %. Вода є розчинником для багатьох речовин, а також виконує механічну роль у забезпеченні тургору. При плазмолізі – втраті клітиною води в гіпертонічному розчині – відбувається відшарування протоплазми від клітинної оболонки. Видалення води із клітини, висушування припиняють процеси метаболізму. Більшість мікроорганізмів добре переносять висушування. При недоліку води мікроорганізми не розмножуються. Висушування у вакуумі із замороженого стану (ліофілізація) припиняє розмноження й сприяє тривалому збереженню мікробних особин.

Білки (40.80 % сухої маси) визначають найважливіші біологічні властивості бактерій і складаються звичайно з комбінацій 20 амінокислот. До складу бактерій входить діамінопімелінова кислота (ДАП), відсутня в клітинах людини й тварин. Бактерії містять більш 2000 різних білків, що перебувають у структурних компонентах, що й беруть участь у процесах метаболізму. Більша частина білків має ферментативну активність. Білки бактеріальної клітини обумовлюють антигенність і імуногенність, вірулентність, видову приналежність бактерій.

Нуклеїнові кислоти бактерій виконують функції, аналогічні нуклеїновим кислотам еукаріотичних клітин: молекула ДНК у вигляді хромосоми відповідає за спадковість, рибонуклеїнові кислоти (інформаційна, або матрична, транспортна й рибосомна) беруть участь у біосинтезі білка.

Бактерії можна характеризувати (таксономічно) по змісту суми гуаніну й цитозина (ГЦ) у молярних відсотках (М%) від загальної кількості підстав ДНК. Більш точною характеристикою мікроорганізмів є гібридизація їх ДНК. Основа методу гібридизації ДНК – здатність денатурованої (однонитчатой) ДНК ренатурироваться, тобто з'єднуватися з комплементарною ниткою ДНК і утворювати двухцепочечную молекулу ДНК.

Вуглеводи бактерій представлені простими речовинами (моно- і дисахариди) і комплексними з'єднаннями. Полісахариди часто входять до складу капсул. Деякі внутрішньоклітинні полісахариди (крохмаль, глікоген і ін.) є запасними живильними речовинами.

Ліпіди в основному входять до складу цитоплазматичної мембрани і її похідних, а також клітинної стінки бактерій, наприклад зовнішньої мембрани, де, крім біомолекулярного шару ліпідів, є ЛПС. Ліпіди можуть виконувати в цитоплазмі роль запасних живильних речовин. Ліпіди бактерій представлені фосфоліпідами, жирними кислотами й гліцеридами. Найбільша кількість ліпідів (до 40 %) містять мікобактерії туберкульозу.

Мінеральні речовини бактерій виявляють у золі після спалювання клітин. У великій кількості виявляються фосфор, калій, натрій, сірка, залізо, кальцій, магній, а також мікроелементи (цинк, мідь, кобальт, барій, марганець і ін.).Вони беруть участь у регуляції осмотичного тиску, рН середовища, окисно-відновного потенціалу, активують ферменти, входять до складу ферментів, вітамінів і структурних компонентів мікробної клітини.

Харчування бактерій

Особливості харчування бактеріальної клітини складаються у вступі живильних субстратів усередину через усю її поверхню, а також у високій швидкості процесів метаболізму й адаптації до мінливих умов навколишнього середовища.

Типи харчування. Широкому поширенню бактерій сприяє різноманітність типів харчування. Мікроорганізми потребують вуглеводу, азоту, сірки, фосфору, калію й інших елементах. Залежно від джерел вуглецю для харчування бактерії діляться на аутотрофи (від грецьк. autos – сам, trophe – їжа), що використовують для побудови своїх клітин диоксид вуглецю З₂ і інші неорганічні з'єднання, і гетеротрофи (від грецьк. heteros – інший, trophe – їжа), що харчуються за рахунок готових органічних сполук. Аутотрофними бактеріями є бактерії, що нітрифікують, перебувають у ґрунті; серобактерии, що живуть у воді із сірководнем; залізобактерії, що живуть у воді із закисним залізом, і ін.

Гетеротрофи органічні залишки, що утилізують, відмерли організмів у навколишньому середовищі, називаються сапрофітами. Гетеротрофи, що викликає захворювання в людини або тварин, відносять до патогенних і умовно-патогенних. Серед патогенних мікроорганізмів зустрічаються облигатні й факультативні паразити (від грецьк. parasites – нахлібник). Облігатні паразити здатні існувати тільки усередині клітини, наприклад риккетсії, віруси й деякі найпростіші.

Залежно від окиснюваного субстрату, називаного донором електронів або водню, мікроорганізми ділять на дві групи. Мікроорганізми, що використовують у якості донорів водню неорганічні з'єднання, називають літотрофними (від грецьк. lithos – камінь), а мікроорганізми, що використовують у якості донорів водню органічні сполуки, – органотрофами.

Враховуючи джерело енергії, серед бактерій розрізняють фототрофи, тобто фотосинтезуючі (наприклад, синьо-зелені водорості, що використовують енергію світла), і хемотрофи енергії, що бідують у хімічних джерелах.

Фактори росту. Мікроорганізмам для росту на живильних необхідні середовищах певні додаткові компоненти, які одержали назву факторів росту. Фактори росту – необхідні для мікроорганізмів з'єднання, які вони самі синтезувати не можуть, тому їх необхідно добавлят у живильні. середовища Серед факторів росту розрізняють: амінокислоти, необхідні для побудови білків; пурини й піримідини, які потрібні для утворення нуклеїнових кислот; вітаміни, що входять до складу деяких ферментів. Для позначення відносини мікроорганізмів до факторів росту використовують терміни «ауксотрофи» і «прототрофи». Ауксотрофи потребують одного або декількох факторах росту, прототрофи можуть самі синтезувати необхідні для росту з'єднання. Вони здатні синтезувати компоненти із глюкози й солей амонію.

Механізми харчування. Вступ різних речовин у бактеріальну клітину залежить від величини й розчинності їх молекул у ліпідах або воді, рН середовища, концентрації речовин, різних факторів проникності мембран і ін. Клітинна стінка пропускає невеликі молекули й іони, затримуючи макромолекули масою більш 600 Д. Основним регулятором вступу речовин у клітину є цитоплазматична мембрана. Умовно можна виділити чотири механізми проникнення живильних речовин у бактеріальну клітину: це проста дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт, транслокація груп. Найбільш простий механізм вступу речовин у клітину – проста дифузія, при якій переміщення речовин відбувається внаслідок різниці їх концентрації по обидві сторони цитоплазматичної мембрани. Речовини проходять через ліпідну частину цитоплазматичної мембрани (органічні молекули, лікарські препарати) і рідше по заповненим водою каналам у цитоплазматичній мембрані. Пасивна дифузія здійснюється без витрати енергії.

Полегшена дифузія відбувається також у результаті різниці концентрації речовин по обидві сторони цитоплазматичної мембрани. Однак цей процес здійснюється за допомогою молекулнпереносників, що локалізуються в цитоплазматичній мембрані, що й володіють специфічністю. Кожний переносник транспортує через мембрану відповідна речовина або передає іншому компоненту цитоплазматичної мембрани – властиво переноснику.

Білками-переносниками можуть бути пермеази, місце синтезу яких – цитоплазматична мембрана. Полегшена дифузія протікає без витрати енергії, речовини переміщаються від більш високої концентрації до більш низкою.

Активний транспорт відбувається за допомогою пермеаз і спрямований на перенос речовин від меншої концентрації убік більшої, тобто як би проти плину, тому даний процес супроводжується витратою метаболічної енергії (АТФ), що утворюється в результаті окисно-відновних реакцій у клітині.

Перенос (транслокація) груп подібний з активним транспортом, відрізняючись тим, що стерпна молекула видозмінюється в процесі переносу, наприклад фосфорилюється. Вихід речовин із клітини здійснюється за рахунок дифузії й при участі транспортних системеферменти бактерій. Ферменти розпізнають відповідні їм метаболіти (субстрати), вступають із ними у взаємодію й прискорюють хімічні реакції. Ферменти є білками, беруть участь у процесах анаболізму (синтезу) і катаболізму (розпаду), тобто метаболізму. Багато ферментів взаємозалежні зі структурами мікробної клітини. Наприклад, у цитоплазматичній мембрані є окисно-відновні ферменти, що участвующие в дихання й розподілі клітини; ферменти, що забезпечують харчування клітини, і ін. Окисно-відновні ферменти цитоплазматичної мембрани і її похідних забезпечують енергією інтенсивні процеси біосинтезу різних структур, у тому числі клітинної стінки. Ферменти, пов'язані з розподілом і аутолізом клітини, виявляються в клітинній стінці. Так звані ендоферменти каталізують метаболізм, що проходить усередині клітини.

Екзоферменти виділяються клітиною в навколишнє середовище, розщеплюючи макромолекули живильних субстратів до простих сполук, засвоюваних клітиною в якості джерел енергії, вуглецю й ін. Деякі екзоферменти (пеніцилліназа й ін.) інактивують антибіотики, виконуючи захисну функцію.

Розрізняють конститутивні й індуцибельні ферменти. До конститутивних ферментів відносять ферменти, які синтезуються клітиною безупинно, незалежно від наявності субстратів у живильній. середовищі Індуцибельні (адаптивні) ферменти синтезуються бактеріальною клітиною тільки при наявності в середовищі субстрату даного ферменту. Наприклад, β-галактозидаза кишковою паличкою на середовищі із глюкозою практично не утворюється, але її синтез різко збільшується при вирощуванні на середовищі з лактозою або іншим β-галактозидозом.

Деякі ферменти (так звані ферменти агресії) руйнують тканину й клітини, обумовлюючи широке поширення в інфікованій тканині мікроорганізмів і їх токсинів. До таких ферментів відносять гіалуронідазу, колагеназу, дезоксирибонуклеазу, нейрамінідазу, лецитиназу й ін. Так, гіалуронідаза стрептококів, розщеплюючи гіалуронову кислоту сполучної тканини, сприяє поширенню стрептококів і їх токсинів.

Відомо більш 2000 ферментів. Вони об'єднані в шість класів: оксидоредуктази – окисно-відновні ферменти (до них відносять дегідрогенази, оксидази й ін.); трансферази окремі радикали, що переносять, і атоми від одних сполук до інших; гідролази, що прискорюють реакції гідролізу, тобто розщеплення речовин на більш прості із приєднанням молекул води (естерази, фосфатази, глікозидази й ін.); ліази, які відщеплюють від субстратів хімічні групи негідролітичним шляхом (карбоксилази й ін.); ізомерази органічні сполуки, що перетворюють, у їхні ізомери (фосфогексоізомераза й ін.); лігази, або синтетази, що прискорюють синтез складних сполук із більш простих (аспарагінсинтетаза, глютамінсинтетаза й ін.).

Відмінності у ферментному складі використовуються для ідентифікації мікроорганізмів, тому що вони визначають їхні різні біохімічні властивості: сахаролітичні (розщеплення цукрів), протеолітичні (розкладання білків) і інші розщеплення, що виявляються по кінцевих продуктах (утвір лугів, кислот, сірководню, аміаку й ін.).

Ферменти мікроорганізмів використовують у генетичній інженерії (рестриктази, лігази й ін.) для одержання біологічно активних сполук, оцтової, молочної, лимонної й інших кислот, молочнокислих продуктів, у виноробстві й інших галузях. Ферменти застосовують як біодобавки в пральні порошки («Ока» і ін.) для знищення забруднень білкової природи.

Дихання бактерій

Дихання, або біологічне окиснення, засноване на окисно-відновних реакціях, що йдуть із утворенням АТФ - універсального акумулятора хімічної енергії. Енергія необхідна мікробній клітині для її життєдіяльності. При дихання відбуваються процеси окиснення й відновлення: окиснення – віддача донорами (молекулами або атомами) водню або електронів; відновлення – приєднання водню або електронів до акцептора. Акцептором водню або електронів може бути молекулярний кисень (такий Дихання називається аеробним) або нітрат, сульфат, фумарат (такий Дихання називається анаеробним – нітратним, сульфатним, фумаратним). Анаеробіоз (від грецьк. аег – повітря + bios – життя) – життєдіяльність, що протікає при відсутності вільного кисню. Якщо донорами й акцепторами водню є органічні сполуки, то такий процес називається бродінням. При бродінні відбувається ферментативне розщеплення органічних сполук, переважно вуглеводів, в анаеробних умовах. З урахуванням кінцевого продукту розщеплення вуглеводів розрізняють спиртове, молочнокисле, оцтовокисле й інші види бродіння.

Стосовно молекулярного кисню бактерії можна розділити на три основні групи: облігатні, тобто обов'язкові, аероби, облігатні анаероби й факультативні анаероби.

Облігатні аероби можуть рости тільки при наявності кисню. Облігатні анаероби (клостридії ботулізму, газової гангрени, правця, бактероїди й ін.) ростуть тільки на середовищі без кисню, який для них токсичний. При наявності кисню бактерії утворюють перекісні радикали кисню, у тому числі перекис водню й супероксидоаніон кисню, токсичні для облигатных анаеробних бактерій, оскільки вони не утворюють відповідні инактивирующие ферменти. Аеробні бактерії інактивують перекис водню й супероксидоаніон відповідними ферментами (каталазою, пероксидазою і супероксиддисмутазою). Факультативні анаероби можуть рости як при наявності, так і при відсутності кисню, оскільки вони здатні перемикатися з дихання в присутності молекулярного кисню на бродіння в його відсутність. Факультативні анаероби здатні здійснювати анаэробное Дихання, називаний нітратним: нітрат, що є акцептором водню, відновлюється до молекулярного азоту й аміаку.Серед облигатних анаеробів розрізняють аеротолерантні бактерії, які зберігаються при наявності молекулярного кисню, але не використовують його.

Для вирощування анаеробів у бактеріологічних лабораторіях застосовують анаеростати – спеціальні ємності, у яких повітря заміняється сумішшю газів, що не містять кисню. Повітря можна видаляти з живильних шляхом середовищ кип'ятіння, за допомогою хімічних адсорбентів кисню, що містяться в анаеростати або інші ємності з посівами.

Ріст і розмноження бактерій

Життєдіяльність бактерій характеризується ростом – формуванням структурно-функціональних компонентів клітини й збільшенням самої бактеріальної клітини, а також розмноженням – самовідтворенням, що приводять до збільшення кількості бактеріальних клітин у популяції.

Бактерії розмножуються шляхом бінарного поділу навпіл, Рідше шляхом брунькування.

Актиноміцети, як і гриби, можуть розмножуватися спорами. Актиноміцети, будучи розгалуженими бактернями, розмножуються шляхом фрагментації ниткоподібних клітин. Грампозитивні бактерії діляться шляхом уростання перегородок, що синтезуються, поділу усередину клітини, а грамнегативні – шляхом перетяжки, у результаті утвору гантелеподібних фігур, з яких утворюються дві однакові клітини.

Поділу клітин передує реплікація бактеріальної хромосоми по напівконсервативному типу (двоспіральний ланцюг ДНК розкривається й кожна нитка добудовується комплементарною ниткою), що приводить до подвоєння молекул ДНК бактеріального ядра – нуклеоїда. Реплікація хромосомної ДНК здійснюється від початкової точки огі (від англ, origin – початок).

Хромосома бактеріальної клітини зв'язана в області огі із цитоплазматичною мембраною. Реплікація ДНК каталізується ДНК-полімеразами. Спочатку відбувається розкручування (деспіралізація) подвійному ланцюга ДНК, у результаті чого утворюється реплікативна вилка (розгалужені ланцюги); одна з ланцюгів, добудовуючись, зв'язує нуклеотиди від 5'- до 3'-кінця, інша – добудовується посегментно.

Реплікація ДНК відбувається в три етапи: ініціація, елонгація, або ріст ланцюги, і терминація. Що утворювалися в результаті реплікації дві хромосоми розходяться, чому сприяє збільшення розмірів зростаючої клітини: прикріплені до цитоплазматичної мембрани або її похідних (наприклад, мезосомам) хромосоми в міру збільшення обсягу клітини віддаляються друг від друга. Остаточне їхнє відокремлення завершується утворенням перетяжки або перегородки поділу. Клітини з перегородкою поділу розходяться в результаті дії аутолітичних ферментів, що руйнують серцевину перегородки поділу. Аутоліз при цьому може проходити нерівномірно:, що діляться клітини в одній ділянці залишаються зв'язаними частиною клітинної стінки в області перегородки поділу. Такі клітини розташовуються під кутом друг до друга, що характерно для дифтерійних корінебактерій.

Розмноження бактерій у рідкій живильній. середовищі Бактерії, засіяні в певн, що не змінюється обсяг живильного середовища, розмножуючись, споживають живильні елементи, що приводить надалі до виснаження живильного середовища й припиненню росту бактерій. Культивування бактерій у такій системі називають періодичним культивуванням, а культуру – періодичної. Якщо ж умови культивування підтримуються шляхом безперервної подачі свіжого живильного середовища й відтоку такого ж обсягу культуральної рідини, то таке культивування називається безперервним, а культура – безперервної.

При вирощуванні бактерій на рідкій живильній спостерігається середовищі придонний, дифузійний або поверхневий (у вигляді плівки) ріст культури. Ріст періодичної культури бактерій, вирощуваних на рідкій живильній, середовищі підрозділяють на кілька фаз, або періодів:

§ лаг-фаза;

§ фаза логарифмічного росту;

§ фаза стаціонарного росту, або максимальної концентрації

§ бактерій;

§ фаза загибелі бактерій.

Ці фази можна зобразити графічно у вигляді відрізків кривій розмноження бактерій, що відбиває залежність логарифма числа живих клітин від часу їх культивування. Лаг-фаза (від англ, lag – запізнювання) – період між посівом бактерій і початком розмноження. Тривалість лаг-фази в середньому 4.5 ч. Бактерії при цьому збільшуються в розмірах і готуються до поділу; наростає кількість нуклеїнових кислот, білка й інших компонентів. Фаза логарифмічного (експонентного) росту є періодом інтенсивного поділу бактерій.

Тривалість її близько 5.6 год. При оптимальних умовах росту бактерії можуть ділитися кожні 20-40 хв. Під час цієї фази бактерії найбільш ранимі, що пояснюється високою чутливістю компонентів метаболізму інтенсивно зростаючої клітини до інгібіторів синтезу білка, нуклеїнових кислот і ін. Потім наступає фаза стаціонарного росту, при якій кількість життєздатних клітин залишається без змін, становлячи максимальний рівень (М-Концентрація). Її тривалість виражається в годиннику й коливається залежно від виду бактерій, їх особливостей і культивування. Завершує процес росту бактерій фаза загибелі, що характеризується відмиранням бактерій в умовах виснаження джерел живильного середовища й нагромадження в ній продуктів метаболізму бактерій. Тривалість її коливається від 10 год до декількох тижнів. Інтенсивність росту й розмноження бактерій залежить від багатьох факторів, у тому числі оптимального складу живильного середовища, окисно-відновного потенціалу, рН, температури й ін.

Розмноження бактерій на щільній живильній. середовищі Бактерії, що ростуть на щільних живильних, середовищах утворюють ізольовані колонії округлої форми з рівними або нерівними краями (S- і R-форми), різної консистенції й коліру, що залежить від пігменту бактерій.

Пігменти, розчинні у воді, дифундують у живильну й середовище офарблюють її, наприклад синегнійна паличка (Pseudomonas aeruginosa) офарблює середовище в синій колір. Інша група пігментів нерозчинна у воді, але розчинна в органічних розчинниках. Так, колонії «чудесної палички» мають криваво-червоний пігмент, розчинний у спирті. І, нарешті, існують пігменти, не розчинні ні у воді, ні в органічних сполуках.

Найпоширеніші серед мікроорганізмів такі пігменти, як каротини, ксантофіли й меланіни. Меланіни є нерозчинними пігментами чорного, коричневого або червоного кольори, що синтезуються з фенольних сполук. Меланини поряд з каталазою, супероксидцисмутазой і перокдсидазами захищають мікроорганізми від впливу токсичних перекісних радикалів кисню. Багато пігментів мають антимікробний, антибіотикоподібною дією.

Вид, форма, колір і інші особливості колоній на щільній живильній можуть середовищі враховуватися при ідентифікації бактерій, а також доборі колоній для одержання чистих культур.

У промислових умовах при одержанні біомаси мікроорганізмів з метою готування антибіотиків, вакцин, діагностичних препаратів, еубіотиків культивування бактерій і грибів здійснюють у ферментерах при строгім дотриманні оптимальних параметрів для росту й розмноження культур.

Дата добавления: 2014-01-07