Методичка по общей микробиологии для студентов медицинского факультета

Питательные вещества :

1 Органогены (>10-4 моль) : C, O, H, N, P, K, Mg, Ca.

2 Микроэлементы ( обеспечивают активность ферментов) : Zn, Mn, Mo, Co, Cu, Ni.

Классификация бактерий по источнику получения углерода :

– аутотрофы ( используют неорганические вещества – СО2)

– гетеротрофы ( используют органические вещества). Среди них выделяют метатрофы ( используют органические вещества живой природы) и паратрофы ( неживой природы)

Классификация бактерий по источнику энергии:

– фототрофы ( используют солнечную энергию)

– хемотрофы ( энергия за счёт окислительно-восстановительных реакций)

–хемолитотрофы ( используют неорганические соединения)

– хемоорганотрофы ( используют органические соединения)

Также выделяют прототрофы ( могут сами синтезировать вещества из низкомолекулярных соединений) и ауксотрофы ( не могут синтезировать вещества, нуждаются в готовых видах)

Существуют факторы роста. К факторам роста относятся аминокислоты, витамины, пурины, пиримидины, пентозы, гексозы, липиды. Универсальным источником факторов роста является сыворотка крови животных, которую добавляют в питательные среды для культивирования ауксотрофов.

3.2.1 Механизмы питания.

1. Пассивная диффузия (осмос) – поступление питательных веществ из окружающей среды через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану в результате разницы концентраций питательных веществ внутри бактериальной клетки и в питательной среде. Процесс осуществляется по направлению градиента концентрации вещества без затрат энергии АТФ. Посредством пассивной диффузии в клетку поступает вода и некоторые ионы.

2. Облегченная диффузия. Осуществляется по направлению градиента концентрации с участием специальных белков-переносчиков, которые называются пермеазами. Пермеаза на внешней стороне цитоплазматической мембраны специфически связывается с молекулой субстрата. На внутренней поверхности мембраны происходит диссоциация комплекса пермеаза – субстрат. При этом транспортируемое вещество высвобождается в цитоплазму, а пермеаза вновь принимает первоначальное положение. Облегченная диффузия осуществляется без затрат энергии АТФ.

3. Активный транспорт. Осуществляется против градиента концентрации с помощью пермеаз и с затратой энергии АТФ. По этому механизму в бактериальные клетки поступает основное количество питательных веществ.

4. Перенос групп. Сущность этого механизма состоит в переносе питательного вещества внутрь клетки против градиента концентрации с помощью пермеаз в химически измененной форме с затратой энергии АТФ. По этому механизму внутрь клетки поступают крупные молекулы питательных веществ.

3.3. Метаболизм бактерий.

Метаболизм (обмен веществ) бактерий представляет собой совокупность 2 взаимосвязанных противоположных процессов: катаболизма и анаболизма.

Катаболизм (диссимиляция) – распад веществ в процессе ферментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ.

Анаболизм (ассимиляция) – синтез веществ с затратой энергии.

Особенности метаболизма у бактерий состоят в том, что:

– его интенсивность имеет достаточно высокий уровень, что возможно обусловлено гораздо большим соотношением поверхности к единице массы, чем у многоклеточных;

-процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции;

– субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк – от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до органических соединений, включая антропогенные вещества – загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым процессы ее самоочищения);

– бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов – это также способствует высокой интенсивности метаболических процессов и широте субстратного спектра.

Ферменты бактерий по локализации делятся на 2 группы:

– экзоферменты – ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (протеазы, полисахариды, олигосахаридазы);

– эндоферменты – ферменты бактерий, действующие на субстраты внутри клетки (расщепляющие аминокислоты, моносахара, синтетазы).

Синтез ферментов генетически детерминирован, но регуляция их синтеза идет за счет прямой и обратной связи, т. Е. для одних – репрессируется, а для других – индуцируется субстратом. Ферменты, синтез которых зависит от наличия соответствующего субстрата в среде (бета-галактозидаза, бета-лактамаза), называются индуцибельными.

Другая группа ферментов, синтез которых не зависит от наличия субстрата в среде, называется конститутивными (ферменты гликолиза). Их синтез имеет место всегда, и они всегда содержатся в микробных клетках в определенных концентрациях. Изучают метаболизм бактерий с помощью физико-химических и биохимических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на специальных питательных средах, содержащих то или иное соединение в качестве субстрата для трансформации.

В микробной клетке ферменты катализируют многочисленные процессы биосинтеза клеточных структур и получения энергии. У бактерий обнаруживаются основные группы ферментов:

Оксидоредуктазы – катализируют реакции окисления-восстановления.

Трансферазы – катализируют реакции переноса различных групп от донора к акцептору.

Гидролазы – катализируют разрыв связей в субстратах с присоединением воды.

Лиазы – катализируют реакции разрыва связей в субстрате без присоединения воды или окисления.

Изомеразы – катализируют превращения в пределах одной молекулы (внутримолекулярные перестройки).

Лигазы (синтетазы) – катализируют присоединение двух молекул с использованием энергии фосфатных связей.

3.3.1 Биосинтез углеводов.

Если микроорганизмы – автотрофы, то исходным веществом для синтеза углеводов является СО2. Синтез углеводов происходит у большинства автотрофов в цикле Кальвина (восстановительный пентозофосфатный цикл), который функционирует так же, как и у растений.

Для цикла Кальвина характерны два специфических фермента, не участвующие в других метаболических путях. Это:

1) фосфорибулокиназа, превращающая рибулозо-5-фосфат при участии АТФ в рибулозо-1,5-дифосфат, который затем выступает в качестве акцептора СО2;

2) рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, катализующая реакцию фиксации СО2 рибулозо-1,5-дифосфатом с образованием двух молекул 3-фосфоглицериновой кислоты. Последняя подвергается серии последовательных ферментативных превращений, ведущих к образованию молекулы глюкозы.

У бактерий-гетеротрофов на среде с неуглеводными предшественниками (например, аминокислотами, глицерином, молочной кислотой) синтез углеводов осуществляется с использованием реакций гликолитического пути, идущих в обратном направлении. Этот процесс называется глюконеогенезом. Но некоторые ферментативные реакции гликолитического пути необратимы (реакции, катализируемые гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой). Поэтому в клетках гетеротрофных прокариот, способных использовать двух- и трехуглеродные соединения, сформировались специальные ферментативные реакции, позволяющие обходить необратимые реакции гликолитического пути. Одной из таких обходных реакций у бактерий E. coli и других бактерий является превращение пирувата в фосфоенолпируват (ФЕП) под действием фосфоенолпируватсинтетазы: