Биохимия и физиология бактерий

ТЕМА  ЛЕКЦИИ: «Биохимия и физиология бактерий.»

 

План лекции:

1. Химический состав бактериальной клетки.
2. Пигменты  бактерий.
3. Питание бактерий.
4. Ферменты бактерий.
5. Метаболизм бактерий.

 

Физиология бактерий – раздел микробиологии, изучающий процессы роста, размножения и питания бактерий, способы получения энергии для осуществления этих процессов, а также происходящие при этом превращения веществ в клетке.

Химический  состав бактериальной клетки.

Микроорганизмы возникли в процессе эволюции из элементов, широко представленных на Земле. Химический состав бактериальной клетки принципиально не отличается от химического состава клеток животных и растений. Соотношение отдельных химических элементов колеблется в зависимости от вида микроорганизма и условий его роста.

Вода – 75-85% (составляет основную массу микробной клетки, биохимические функции воды аналогичны таковым у эукариотов: часть воды находится в связанном состоянии с белками, углеводами и другими веществами, входя в состав клеточных структур; остальная вода находится в свободном состоянии – служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений, с водой все вещества поступают в клетку и выводятся из нее).

Сухое вещество – 15-25%, состоит из органических веществ и минеральных элементов:

• органические вещества:
• белки – 50-80% (основные компоненты клетки, в бактериальной клетке насчитывается более 2 тыс. различных белков, представлены в виде простых (протеины) и сложных (протеиды) соединений, функции их аналогичны белкам эукариот – входят в состав различных структур клетки, являются строительным материалом и выполняют ферментативные функции);
• нуклеиновые кислоты – 10-30% (представлены в виде РНК и ДНК – ДНК обеспечивает наследственность и изменчивость бактерий, а РНК ответственны за биосинтез клеточных белков);
• углеводы – 12-28% (содержатся в виде моно-, ди- и полисахаридов, а также связаны с белками и липидами, входят в состав клеточных структур, используются для синтеза различных веществ и в качестве энергетического материала, часто откладываются в виде запасных питательных веществ);
• липиды – 3-10%, у некоторых бактерий, например, микобактерий – возбудителей туберкулеза и лепры, содержание липидов достигает до 30-40% (представлены в трех фракциях – фосфолипиды, воски и жирные кислоты, являются необходимыми компонентами клеточной стенки и ЦПМ, также используются для синтеза различных веществ).
• минеральные вещества – 5-15%, по количественному содержанию у бактерий можно разделить на 4 группы:
• макробиогенные элементы (2-60%): азот, водород, кислород, углерод – составляют основу органических веществ, поэтому называются органогенными;
• олигобиогенные элементы (0,02-0,1%): калий, натрий, хлор, сера, магний, железо, кальций, фосфор;
• микробиогенные элементы (0,01%): цинк, марганец, кобальт, медь, фтор, бром, йод;
• ультрамикробиогенные элементы (<0,01%): бор, ванадий, кремний, литий, алюминий, олово, мышьяк, молибден.

Олиго, микро- и ультрамикробные элементы рассматривают как зольные. Минеральные (зольные) вещества играют большую роль в регулировании внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы, влияют на скорость и направление биохимических реакций (активаторы ферментов/ко-ферменты), являются стимуляторами роста.

Все перечисленные химические вещества образуют малые и большие молекулы:

• малые молекулы:
• молекулы-предшественники, поступающие в клетку извне: H₂O, CO₂, N₂, ионы Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺, Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^2- и другие;
• промежуточные молекулы органических кислот;
• молекулы строительных блоков: аминокислоты, мононуклеотиды, простые сахара, глицерин, жирные кислоты.
• большие молекулы (макромолекулы):

• белки;
• нуклеиновые кислоты;
• полисахариды;
• липиды.

У прокариотов имеются новые соединения, не встречающиеся в клетках эукариот: пептидогликан, корд-фактор, дипиколиновая кислота, тейхоевые и липотейхоевые кислоты и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

Пигменты  бактерий.

Пигменты бактерий – это специфические фоторецепторные молекулы, вторичные метаболиты, образующиеся на свету и придающие бактериям окраску. (Наличие у бактерий пигментов обычно связано с их способностью существовать за счет энергии света. Некоторые микроорганизмы утратили способность к фотосинтезу, но сохранили пигменты. Способность образовывать пигменты детерминирована генетически и используется в качестве диагностического  признака. Образование пигментов зависит от состава среды и условий культивирования. У многих микроорганизмов образование пигмента происходит  только на свету. Пигменты различают по химическому составу и цвету.)

 Классификация пигментов  по химическому составу и цвету:

Химический состав	Цвет	Пигментообразующие микроорганизмы
Хиноновые	Желтый	Микобактерии
Азахиноновые (индигоидин)	Синий	Коринеактерии, псевдомоны, артробактерии
Каротиноиды	Красный, оранжевый, желтый, белый	Сарцины, актиномицеты, стафилококки, микрококки, коринебактерии, дрожжи
Меланиновые	Черный, коричневый	Бактероиды, порфиромоны
Пирроловые (продигиозин)	Ярко-красный	Серрации
Фенозиновые (пиоцианин)	Сине-зеленый (щелочная среда) или красный (кислая среда)	Синегнойная палочка
Пиразиновые (пульхерримин)	Темно-красный	Кандида

Классификация пигментов  по растворимости:

• жирорастворимые (каротиноидные, хиноновые, азахиноновые);
• водорастворимые (фенозиновые, пиразиновые) – хромопарные (способны диффундировать в окружающую среду и окрашивать не только колонии, но и питательные среды);
• спирторастворимые (каротиноидные, пирроловые);
• нерастворимые ни в воде, ни в сильных кислотах (меланиновые).

Значение пигментов:

• защита от действия видимого света и УФ-лучей;
• ассимилируют углекислый газ;
• обезвреживают токсичные кислородные радикалы;
• участвуют в синтезе витаминов;
• обладают антибиотическим действием и свойствами биологически активных веществ;
• цвет пигмента используют в идентификации бактерий.

Типы питания  бактерий.

Особенности питания бактерий:

• экзогенный тип питания (выделяя гидролитические ферменты в окружающую среду, расщепляют макромолекулы до более простых соединений, которые поступают внутрь клетки);
• голофитный тип питания (поступление веществ из вне только в растворенном состоянии);
• поступление веществ происходит через всю поверхность бактериальной клетки;
• потребление веществ в сутки в 20-30 раз больше своей массы;
• интенсивность метаболизма у прокариотов выше, чем у эукариотов на 50-60% (в 100 раз);
• очень высокая адаптивность к различным условиям существования.

Для микроорганизмов характерно многообразие способов питания. Классификация микроорганизмов по типам питания:

1. По источнику углерода:
• автотрофы=«сами себя питающие» (от греч. autos – сам, trophe – пища) способны получать весь углерод в результате фиксации CO₂ (единственный источник углерода – СО₂ воздуха);
• гетеротрофы=«питающиеся за счет других» (от греч. heteros – другой) получают углерод из различных органических соединений, эта группа наиболее многочисленна по своему составу, включает паразитов и сапрофитов:

• паразиты (паратрофы, от греч. parasitos – нахлебник) используют для своего питания органические соединения живых организмов, обитают на поверхности или внутри макроорганизма, нанося ему вред, подразделяются на:

• облигатные паразиты – полностью лишены способности жить вне клеток макроорганизма;
• факультативные паразиты – могут существовать и вне макроорганизма;
• сапрофиты (метатрофы, от греч. sapros – гнилой, phyton – растение) нуждаются в готовых органических соединениях, поэтому питаются мертвой тканью животных и растений.
2. По источнику энергии:
• фототрофы (фотосинтезирующие) используют энергию солнечного света;
• хемотрофы (хемосинтезирующие) получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций.
3. По донору электронов:
• литотрофы (от греч. lithos – камень) в качестве источника электронов используют неорганические соединения (H₂, NH₃, H₂S, S и т.д.);
• органотрофы используют органические соединения в качестве доноров электронов.

 

Можно использовать все критерии сразу  для характеристики микроорганизмов или только два. Например, фотоавтолитотрофы – микроскопические водоросли; хемоорганогетеротрофы – стафилококки, кишечная палочка. Однако, такая классификация не полностью отражает способности микроорганизмов. Многие микроорганизмы обладают «гибким» метаболизмом и могут переключаться в определенных условиях с одного  способа питания на другой. Поэтому выделяют термины облигатный и факультативный, так например, облигатному фотоавтотрофу обязательно нужен свет и CO₂ как источник углерода, а факультативные фотоавтотрофы могут расти и на органических кислотах.

4. По источнику азота:

• аминоавтотрофы используют атмосферный азот и минеральные соединения азота для построения органических соединений (почвенные бактерии);

• аминогетеротрофы получают азот для синтеза белков из органических соединений (патогенные бактерии).
5. По способности синтезировать необходимые питательные вещества:
• прототрофы – это микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения из глюкозы и солей аммония;
• ауксотрофы не способны синтезировать некоторые органические соединения, ассимилируя их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина.

Факторы роста – это вещества, необходимые микроорганизмам, не продуцирующим какое-либо вещество, в готовом виде для их роста и размножения:

• аминокислоты (стептококки);
• пуриновые и пиримидиновые основания (стрептококки, микоплазмы, лактобациллы);
• витамины (никотиновая, пантотеновая и фолиевая кислоты, флавин, тиамин, биотин, В₆ и В₁₂ – микобактерии туберкулеза);
• железопорфирины;
• липиды (микоплазмы);
• соли.

Механизм поступления  веществ в клетку (сложный физико-химический процесс, в котором большую роль играют концентрация веществ, их строение, растворимость, размеры молекул, проницаемость ЦПМ, наличие ферментов, pH среды, изоэлектрическая точка вещества цитоплазмы):

• пассивная диффузия – питательные вещества в клетку перемещаются по градиенту концентрации без затрат энергии (когда концентрация вещества снаружи значительно превышает концентрацию внутри); этим путем в бактериальную клетку поступает ограниченное количество веществ – H₂O, O₂, CO₂ и NH₃;
• облегченная диффузия осуществляется тоже по градиенту концентрации без затрат энергии, но с помощью особых белков-пермеаз, которые находятся в цитоплазматической мембране;
• активный транспорт осуществляется пермеазами против градиента концентрации (концентрация вещества в клетке может быть значительно больше, чем в питательной среде), сопровождается затратой энергии;
• транслокация (фосфорилирование) – химическая модификация вещества при переносе через ЦПМ с помощью белков-транслоказ; так, например, поступает в клетки глюкоза;
• обменная адсорбция – способность электрически заряженной поверхности микробной клетки притягивать вещества с противоположным зарядом.

Выход продуктов метаболизма из микробной клетки:

• диффузия (пассивная, облегченная, активная);
• экзоцитоз – путем почкования мембраны – выделяемое вещество упаковано в мембранный пузырек и отшнуровывается в окружающую среду; например, токсин холерного вибриона;
• фосфотранспорт – химическая модификация вещества при переносе через ЦПМ.
• контрансляционная секреция – внутри клеточной стенки и ЦПМ формируется белковый канал, через который молекулы вещества выделяются наружу, например, токсины возбудителей столбняка и дифтерии.

 

Ферменты бактерий.

Ферменты – это высокоспециализированные белки, специфически катализирующие многочисленные химические реакции, происходящие в микробной клетке.