Медицинская микробиология, иммунология и вирусология

3) у строгих анаэробов отсутствует система регуляции окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциала) – rH

. Окислительно-восстановительный потенциал представляет собой показатель окислительно-восстановительного равновесия всех компонентов системы, находящейся в равновесии с электродами; rH

– отрицательный логарифм гипотетического давления водорода, когда данная окислительно-восстановительная система находится в состоянии равновесия:

где Ehk – найденный потенциал среды; 250 mv – разница потенциалов между каломельным и нормальным водородным электродом (считается, что каломельный электрод при температуре 20 °C на 250 mv положительнее водородного).

Показатель rH

может варьировать от минимума – 0 (среда насыщена водородом) до максимума 41 (среда насыщена кислородом); при rH

= 28 оба процесса находятся в динамическом равновесии.

Направление и напряженность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в бактериальной клетке, зависят от состава среды. Eh нормальной питательной среды, находящейся в контакте с воздухом, равен 0,2 – 0,4 В при рН = 7,0. Eh культуры бактерий определяется в результате конкуренции скоростей двух процессов – скорости образования восстановленных веществ и скорости образования компонентов, окисленных кислородом. Присутствие в среде окисляющих веществ повышает rH

, а наличие веществ, обладающих восстановительными свойствами (аскорбиновая кислота, цистеин и др.), снижает его. Существуют определенные границы rH

и рН среды, внутри которых клетки способны осуществлять метаболические реакции с определенной скоростью.

Строгие аэробы, факультативные анаэробы и микроаэрофилы обладают системами, которые позволяют им при высоком содержании О

снижать уровень rH

до показателей, при которых они могут эффективно размножаться. Установлено, что у таких бактерий размножение совпадает с быстрым падением окислительно-восстановительного потенциала. Существуют предельные значения rH

для роста бактерий и, в частности, анаэробов. Обычно рост их угнетается, если начальная Eh среды выше –0,2 В. Строгие анаэробы, у которых отсутствуют системы регуляции rH

, в присутствии О

расти не могут. Зависимость их роста от уровня rH

подтверждается тем, что если с помощью восстанавливающих веществ снизить уровень rH

, строгие анаэробы начинают расти и в присутствии кислорода. Строгий анаэроб Clostridium perfringens хорошо растет на аэрируемой среде, если Eh ее снижен аскорбиновой кислотой до –0,125 В.

По-видимому, у разных видов строгих анаэробов чувствительность к молекулярному кислороду опосредуется разными факторами. В связи с высокой чувствительностью строгих анаэробов к молекулярному кислороду для их культивирования с помощью различных способов создаются бескислородные условия. С этой целью используются механические, физические, химические и биологические способы удаления кислорода: посевы в глубокие столбики агара; кипячение (регенерация) жидкой питательной среды (Китта – Тароцци), содержащей глюкозу и кусочки печени (для связывания растворенного кислорода), и заливка ее стерильным вазелиновым маслом; добавление в атмосферу роста химических веществ, поглощающих кислород (например, щелочного пирогаллола); совместное культивирование строгих аэробов и анаэробов на кровяном агаре с глюкозой в запарафинированной чашке Петри (вначале растут строгие аэробы, а после снижения содержания кислорода – анаэробы) – способ Фортнера – и т. п. Наилучшим методом является применение специальных анаэростатов, из которых воздух откачивается и (или) замещается каким-либо инертным газом или смесью азота и углекислого газа.

Глава 8

Механизмы саморегуляции

Для своего роста (увеличения биомассы) и размножения бактериальная клетка должна получать из окружающей среды, как минимум, источники углерода, энергии и различные химические элементы. Источником углерода и энергии могут быть одна и та же молекула (чаще всего глюкоза) или же различные молекулы, например СО

как источник углерода, а NH

– источник энергии. Клетки, у которых отсутствуют какие-либо биосинтетические процессы, должны получать их конечные продукты, т. е. «факторы роста», из внешней среды. Если же клетка может получать некоторые конечные продукты извне, она будет их использовать преимущественно, «выключив» их эндогенный синтез. Для осуществления реакций окисления среда должна обеспечить клетку конечным акцептором водорода (электронов): для аэробов им является О

, а для анаэробов им могут быть или органические вещества, или органические субпродукты расщепления углеводов, или неорганические соединения (NO

, SО

и т. п.). Например, многие бактерии растут за счет расщепления глюкозы как источника углерода, энергии и акцептора водорода. Благодаря обмену источников углерода бактерии синтезируют промежуточные продукты, необходимые для образования основных биополимеров. Окисление источников энергии приводит к накоплению АТФ, что позволяет бактериям обеспечивать себя энергией, необходимой для биосинтеза субъединиц биополимеров и их активации. Активированные субъединицы полимеризуются и образуют макромолекулы, которые саморегулируются, формируя субклеточные и клеточные структуры. В результате биомасса клетки удваивается за определенный срок (клеточный цикл), и она размножается путем бинарного деления. В одно и то же время в бактериальной клетке совершается огромное количество биохимических процессов, завершающихся, в конечном счете, увеличением ее биомассы. Это предполагает наличие у нее совершенных механизмов саморегуляции, чутко реагирующих на все изменения условий ее жизни. В настоящее время представляется возможным условно разделить эти механизмы на две основные группы: а) группа неспецифических механизмов регуляции роста и размножения; б) группа специфических механизмов саморегуляции.

К неспецифическим механизмам относится совокупность действия различных физико-химических факторов, регулирующих общую скорость всех основных процессов жизнедеятельности. К ним относятся: температура, рН, rH

, концентрация ионов, степень обеспечения среды кислородом, давление и др. Неспецифический характер этой формы регуляции заключается в том, что она влияет прежде всего на общую кинетику биосинтетических процессов. Обеспечивая оптимальное соотношение всех указанных факторов, можно получить максимальную скорость размножения бактерий и максимальный выход биомассы в соответствующих производствах. Однако действие физико-химических факторов опосредуется через специфические механизмы клеточной саморегуляции. Она носит многоступенчатый характер и отличается выраженной универсальностью, вытекающей из того, что специфическая саморегуляция связана прежде всего с ферментами, катализирующими биохимические реакции, а все ферменты имеют одинаковую химическую природу. Взаимодействие на уровне фермент – субстрат является важнейшим пусковым моментом всей клеточной системы саморегуляции. Именно на этом уровне происходит интеграция неспецифических и специфических механизмов саморегуляции клетки. Специфичность взаимодействия фермента с субстратом детерминирована генетически – она обусловлена последовательностью расположения аминокислот в белковой молекуле и определяемой ею вторичной, третичной и четвертичной структурой молекулы фермента. В связи с этим никаких дополнительных механизмов регуляции на уровне фермент – субстрат не требуется. Синтезированный фермент готов в любой момент, если не изменена его аллостерическая структура, вступить в реакцию с соответствующим субстратом. Как известно, скорость ферментативной реакции можно выразить уравнением:

где E

– начальная концентрация фермента; S – концентрация субстрата.

При увеличении концентрации [S], когда [S] > K

, скорость ферментативной реакции (V) будет стремиться к некоторой постоянной величине V

– максимальной скорости реакции:

Поэтому зависимость между скоростью ферментативной реакции и концентрацией субстрата можно выразить следующим уравнением Михаэлиса – Ментен:

Из уравнения следует, что при малых величинах концентрации субстрата скорость реакции будет находиться в линейной зависимости от [S], а при очень высокой концентрации субстрата скорость реакции (V) будет стремиться к максимальной (V

) и мало зависит от дальнейшего увеличения концентрации [S]. В свою очередь, при условии, когда [S] > (E), скорость реакции будет пропорциональна концентрации фермента. Основными кинетическими константами уравнения Михаэлиса являются максимальная скорость реакции (V

) и константа Михаэлиса (K

). Величина последней определяется соотношением трех констант скорости. В случае, когда K

< K

, K

? K

/K

= K

.

Константа K

получила название константы субстрата и служит мерой сродства фермента к субстрату. Поскольку скорость реакции, катализируемой ферментом, зависит от относительного сродства фермента к субстрату, константа (K

) является важной характеристикой фермента. Поэтому уравнение Михаэлиса – Ментен может быть выражено следующим образом:

где V

– предел, к которому стремится скорость реакции с повышением концентрации субстрата; K