Физиология и биохимия микроорганизмов
Метаболизм
Метаболизм – это совокупность двух противоположных, но взаимосвязанных процессов:
· энергетического метаболизма (катаболизма),
· пластического (конструктивного)- анаболический метаболизм
Прокариоты в процессе ферментативных катаболических реакций выделяют энергию, которая аккумулируется в АТФ.
В процессе ферментативных анаболических реакций эта энергия расходуется на синтез макромолекул органических соединений, из которых строятся составные части микробной клетки (биополимеры).
На определенных этапах метаболизма образуются промежуточные продукты – амфиболиты, которые используются в обоих процессах.
Метаболизм микроорганизмов очень разнообразен.
В качестве питательных веществ микробные клетки используют различные органические и минеральные соединения.
Источники углерода и типы биологического окисления
Автотрофные организмы могут синтезировать органические соединения из неорганических веществ (СО2 и Н2О), используя дополнительные источники энергии.
Гетеротрофные используют готовые органические «питательные вещества» и живут за счет автотрофных организмов и их биосинтетических процессов.
При распаде органических веществ химически связанная энергия освобождается (катаболизм, диссимиляция).
Этот распад без участия О2 – анаэробные условия – приводит к образованию органических продуктов, богатых энергией – органические кислоты, этанол (брожение).
При использовании О2 - аэробные условия – образуются СО2 и Н2 О (дыхание), бедные энергией.
Расщепление углеводов происходит в результате последовательного воздействия на субстрат ферментов. Этот процесс начинается с гликолиза.
Гликолиз – это процесс окислительного расщепления, происходящий в цитоплазме бактерий и ведущий от фруктозо-1,6-фосфата к промежуточному продукту – пировиноградной кислоте.
При молочнокислом брожении (стрептококки, лактобациллы) водород (Н2)переносится на пировиноградную кислоту и образуется молочная кислота.
При спиртовом брожении (сахаромицеты) пировиноградная кислота сначала декарбоксилируется, т.е. от нее отщепляется СО2 , а затем промежуточный продукт (ацетальдегид) восстанавливается в этиловый спирт (этанол) в результате переноса водорода (Н2).
При маслянокислом брожении (клостридии) пировиноградная кислота превращается в ацетат, связанный с коферментом. Два таких остатка соединяются в ацетоацетат, который восстанавливается до н-масляной кислоты.
Ключевую роль в таких реакциях играют пентозофосфаты и цикл называется пентозофосфатным.
В связи с большой потребностью прокариот в пировиноградной кислоте, некоторые микроорганизмы (Pseudomanas) получают энергию с помощью специфического метаболического пути – Энтнера – Дудорова.
Автотрофный метаболизм осуществляется бактериями путем фотосинтеза и хемосинтеза.
Хемосинтез – аэробный процесс. При аэробном (кислородном) дыхании акцептором служит О2.
Фотосинтез – анаэробный процесс. При анаэробном (бескислородном) дыхании акцептором служат неорганические соединения.
Исходя из этого, выделяют группы бактерий по типу дыхания:
- строгие (облигатные) аэробы, которые размножаются только в присутствии О2 - псевдоманады
- микроаэрофилы, которым требуется меньшее количество О2 – кампилобактеры
- факультативные анаэробы, которые могут размножаться в аэробных и анаэробных условиях – энтеробактерии
- строгие (облигатные) анаэробы, которые размножаются только в бескислородных условиях – бактероиды
- аэротолераннтные бактерии, которые способны расти в присутствии О2, но они не используют его в качестве источника энергии, а получают энергию при брожении – молочнокислые бактерии.
Токсические действия О2 на бактерии объясняется отсутствием у бактерий ферментов каталаз и системы регуляции окислительно – восстановительного потенциала.
Источники азота
Для синтеза азотсодержащих соединений – аминокислот, пуринов, пиримидинов, некоторых витаминов – микроорганизмы нуждаются в доступном источнике азота.
Одни способны усваивать азот из атмосферы – азотфиксирующие бактерии.
Другие ассимилируют только азотсодержащие органические соединения.
Микроорганизмы способные синтезировать все необходимые им органические соединения из глюкозы и солей аммония – прототрофы.
Микроорганизмы, не способные синтезировать органические соединения – ауксотрофы - клостридии, стрептококки.
Они ассимилируют соединения в готовом виде из окружающей среды или из организма хозяина.
Ауксотрофы чаще всего являются патогенными или условно-патогенными микроорганизмами для человека.
Кроме азота и углерода всем микроорганизмам для биосинтеза необходимы соединения, содержащие фосфор, серу, ионы магния, калия, кальция, железа и др.
Потребность того или иного микроорганизма в определенных факторах роста, является стабильным признаком, который используется для дифференцировки и идентификации бактерий.
Пуриновые и пиримидоновые основания (аденин, гуанин, цитозин, урацил, тимин) являются факторами роста для стрептококков, стафилококков.
Фосфолипиды – жирные кислоты необходимы для стрептококков, микоплазм.
Микоплазмы нуждаются в холестерине и других стеринах.
Многие микроорганизмы также нуждаются и в витаминах (группы В, фолиевой кислоте, никотиновой кислоте).
Все эти метаболиты и ионы проникают в микробную клетку путем пассивной диффузии, облегченной диффузии, активного транспорта.
Микроорганизмы синтезируют разнообразные ферменты – энзимы.
Ферментный состав микроорганизма определяется его геномом и является стабильным признаком.
Поэтому определение ферментов, образуемых определенными видами микроорганизмов, применяется для их дифференциации.
Деление ферментов на экзоферменты и эндоферменты основано на их локализации (в цитоплазме, на цитоплазматической мембране, периплазматическом пространстве).
Экзоферменты расщепляют макромолекулы в окружающей среде, которые потом транспортируются в клетку микробную.
Эндоферменты, локализованные на цитплазматической мембране, составляют мультиферментныекомплесы.
Ферменты, которые постоянно синтезируются в микробных клетках в определенных концентрациях, называются конститутивными. К ним относятся ферменты гликолиза.
Ферменты, концентрация которых резко возрастает при наличии соответствующего субстрата, называются индуцибельными (индукция субстратом).
К ним относятся ферменты транспорта и катаболизма лактозы. Одним из них является фермент, разрушающий пенициллин – β – лактамаза.
В отсутствии субстрата они находятся в бактериальной клетке в следовых концентрациях, а при наличии субстрата - их количество резко возрастает.
Скорость ферментативных реакций зависит от условий, в которых находится данный микроорганизм – температура, ph среды (оптимально – темп. 37 гр., ph- 7, 2 – 7,4).
Биосинтез углеводов, аминокислот и липидов.
Микроорганизмы синтезируют моно-, олиго-, полисахариды и другие соединения, в состав которых входят углеводы.
Автотрофы синтезируют глюкозу из углекислого газа – СО2 – атмосферного воздуха.
Гетеротрофы синтезируют глюкозу из углеродсодержащих соединений с длинной цепи С2 – С3. Используется реакция гликолиза, идущая в обратном направлении.
Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты из пирувата. Источником энергии являются молекулы АТФ.
Многие микроорганизмы могут получать аминокислоты из молекул белка, которые предварительно расщепляются ими с помощью протеаз и пептидаз.
Ряд патогенных бактерий, микоплазмы, спирохеты потребляют их в готовом виде в организме хозяина.
Липиды микроорганизмов представлены жирными кислотами, фосфолипидами, воском, терпенами каротиноидами, которые содержат длинноцепочечные насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты.
Важную роль в биосинтезе жирных кислот у микоорганизмов играют ацилпереносящие белки.
Многие микроорганизмы синтезируют ненасыщенные жирные кислоты с двойными связями, которые формируются из соответствующих насыщенных кислот.
У аэробов этот процесс требует присутствие кислорода.
Микоплазмы получают жирные кислоты в готовом виде из клеток хозяина или из питательной среды.
Центральную роль в биосинтезе фосфолипидов играет цитидинфосфатглицерид.
Остальные фосфолипиды образуются путем ферментативных превращений этих соединений.
5. Рост и размножение микроорганизмов.
Рост
Для роста и размножения микроорганизмов необходимы: минеральные соединения, содержащие ионы NH+4, K+, Mg2+,Fe3+ .
Ионы аммония - NH+4 - используются для синтеза аминокислот,
Ионы калия - K+ - для связывания т- РНК с рибосомами. Благодаря высокой внутриклеточной концентрации ионов калия поддерживается высокое осмотическое давление.
Ионы магния - Mg2+ - выполняют роль кофактора в ряде ферментативных процессов.
Ионы трехвалентного железа - Fe3+ -входят в состав цитохромов и других гемопротеинов. Для ряда патогенных и условно-патогенных бактерий – эшерихии, шигеллы – потребление трехвалентного железа в организме хозяина затруднено из-за нерастворимости его соединений при нейтральных и слабощелочных значениях ph.
Некоторые микроорганизмы вырабатывают особые вещества – сидерофоры – которые связывают трехвалентное железо и делают его соединения растворимыми и транспортабельными.
Размножение
Бактерии обычно размножаются бесполым путем – делением.
Из одной клетки образуются две, каждая из которых делится вновь. Это может продолжаться бесконечно долго.
Грамположительные бактерии делятся посредством образования перегородки, вырастающей от клеточной стенки к центру.
У микобактерий перегородка образуется внутри клетки, затем расщепляется на два слоя и разделяет клетку на две.
Грамотрицательные бактерии истончаются в центре и разделяются перегородкой на две клетки.
Скорость размножения зависит от:
· состава среды,
· температуры,
· условий питания,
· влажности и др.факторов.
При благоприятных факторах – через 20 – 30 минут.
Процесс размножения бактерий в свежей питательной среде включает в себя этапы:
· Стационарная фаза – период задержки размножения – 1-2 часа. Бактерии не размножаются.
· Лаг – фаза – приспособление бактерий к новой среде и к последующему размножению в ней. К концу лаг-фазы объем клеток увеличивается. Длительность лаг-фазы зависит от возраста и видовой специфичности бактерий. Размножение идет с максимальной скоростью, число клеток увеличивается.
· Стадия уменьшения количества жизнеспособных бактерий – в следствие истощения источников энергии, накопления продуктов метаболизма и других факторов.
Культура бактерий в ограниченном объеме называется периодической. И данные фазы роста характерны именно для этих культур.
Если благоприятные условия поддерживать, убирать продукты распада, то их культивирование станет непрерывным – что используется при различных биотехнологических процессах.
Риккетсии (грам -). По типу дыхания аэробы.
Их характерные метаболические признаки:
· полное окисление глютаминовой кислоты,
· отсутствие утилизации глюкозы.
Риккетсии имеют белковые эндотоксины, чувствительные к формалину.
Риккетсии размножаются:
· Путем обычного деления кокковидных и палочковидных форм с последующей фазой гомогенных популяций.
· Мицеллярное (как у грибов) дробление нитевидных форм.
Размножаются медленнее бактерий.
Микоплазмы размножаются только при участии стерола, холестерина, жирных кислот, нативного белка.
Микоплазмы проникают через водную пленку и адсорбируются агаром.
Через 18 часов внутри агара формируются маленькие сферические колонии. Через 48 часов эта колония достигает поверхности водной пленки агара.
Колонии микоплазм имеют вид яичницы-глазуньи.
Хламидии (грам -) существуют в двух формах, различающихся по морфологическим и бактериологическим свойствам.
· Инфекционной внеклеточной формой является элементарное тельце –ЭТ.
· Вегетативной внутриклеточной формой – ретикулярное тельце – РТ ( способное к росту и делению).
Первый этап инфекционного процесса – адсорбция ЭТ на плазме клетки хозяина. Важную роль играют электростатистические силы.
Внедрение хламидий происходит путем эндоцитоза с образованием фагоцитарной вакуоли. Эта фаза длится 7 – 10 часов. Затем происходит в течение 6 – 8 часов реорганизация в РТ, способное к росту и делению.
Размножение хламидий приводит к формированию включений, известных под названием телец Провачека. В течение 18 – 24 часов они локализованы в цитоплазматическом пузырьке, образованном из мембраны клетки-хозяина. Во включении может содержаться до 500 хламидий. Остановка на этой стадии ведет к персистенции хламидийной инфекции.
Затем начинается процесс созревания РТ в течение 36 – 42 ч. развития в ЭТ следующего поколения.
Полный цикл репродукции хламидий равен 48 – 72 ч и завершается разрушением пораженной клетки.
Хламидии могут высвобождаться из инфицированной ими клетки через узкий ободок цитоплазмы. При этом клетка может сохранять жизнеспособность – этим объясняется бессимптомное течение хламидийной инфекции.
Грибы размножаются половым и бесполым (с помощью простого митоза) способом.
Основные способы размножения грибов:
· Фрагментация гифов, в результате образуются отдельные клетки- артоспоры. Если гифы образуют толстостенную оболочку, то называются хламидоспорами.
· Почкование, в результате образуются бластоспоры.
· Образование бесполых спор, которое у одних грибов происходит в специальных вместилищах – спорангиях – спорангиоспоры (эндоспоры); у других – на специализированных гифах-конидиеносцах- экзоспоры (или конидии).
Число, форма, размер конидий имеет особую организацию.
Одноклеточные конидии – называются микроконидии
Многоклеточные – макроконидии.
Бесполые структуры грибов – анаморфы.
Половые – телеоморфы. Обнаруживаются у совершенных грибов. Процесс созревания половых спор у происходит в специальных структурах – в асках или на плодовых телах.
У представителей Zygomycetes продуктом полового процесса являются одноклеточные образования – зигоспоры.
Несовершенные грибы размножаются только бесполым путем.
Вирусы не способны к росту и бинарному делению.
Их размножение тесно связано с клеткой – хозяином.
Процесс взаимодействия вирусов с клеткой –хозяином называется репродукцией.
Выделяют фазы:
1. Раннюю- адсорбция вириона на чувствительной клетке – хозяине.
2. Позднюю – проникновение в клетку (пенетрация)
Раздевание вириона
В основе начальных процессов адсорбции лежат:
· электрические взаимодействия положительно и отрицательно заряженных группировок на поверхности вируса и клетки,
· ph,
· буферность,
· температура среды.
Вирусы используют рецепторы, предназначенные для проникновения в клетку необходимых для ее жизнедеятельности веществ – гормонов, ферментов, факторов роста, других питательных веществ.
Клеточные рецепторы имеют разную химическую природу:
Так, для вируса гриппа и парагриппа рецепторами являются структуры, содержащие сиаловую(нейраминовую) кислоту.
Прикрепление вириона к клеточной поверхности осуществляется следующим образом:
· вначале происходит образование единичной связи прикрепительного белка с рецептором – обратимая адсорбция. В этот момент изменяя ph среды, взаимодействуя ультразвуком, антителами, можно удалить вирион с поверхности клетки.
Прикрепительные белки вирусов могут находиться в составе уникальных образований, таких, как фибры у аденовирусов.
У сложноорганизованных вирусов эти прикрепительные белки входят в состав шипов на поверхности суперкапсиды, например, у вируса гриппа имеется 300 – 450 шипов гемагглютинина.
Просто организованные вирусы содержат прикрепительные белки в составе капсида.
Проникновение (пенетрация) вирусов в клетку осуществляется за счет двух механизмов, взаимодополняющих друг друга:
· Виропексиса (эндоцитоза)- (вирион попадает в цитоплазму в результате инвагинации участка плазматической мембраны и образования вакуоли. Виропексис является частным случаем рецепторного эндоцитоза, который обеспечивает поступление в клетку аминокислот, нуклеотидов, гормонов и др.веществ из межклеточной жидкости)
· Слияние вирусной и клеточной мембраны.
Большинство вирусов проникают в клетку путем рецепторного эндоцитоза, некоторые вирусы – за счет механизма слияния. Функцию белка слияния у вируса гриппа выполняет малая гемагглютинирующая субъединица НА2. У вирусов парагриппа белок слияния – fusionprotein.
Раздевание вирусов происходит параллельно с его проникновением
В результате раздевания освобождается внутренний компонент вируса, способный вызвать инфекционный процесс.
Раздевание вируса осуществляют ферменты клетки – липазы и протеазы.
Раздевание сопровождается рядом характерных особенностей:
· вирион теряет инфекционную активность,
· появляется чувствительность к нуклеазам,
· возникает устойчивость к нейтрализующему действию антител.
Раздевание вириона осуществляется постепенно. Например, вирус гриппа вначале теряет липопротеиновую оболочку, а на втором этапе удаляется М – белок и освобождается нуклеокапсид.
Прионы присоединяются к внешней поверхности мембраны N – терминальной последовательностью и путем эндоцитоза проникают в клетку.
Для накопления PrPSc - инфекционного белка - в клеткенеобходим нормальный - PrPС.
Животным, лишенным гена PRNP, не передается прионная инфекция, при увеличении количества молекул белка PrP возрастает вероятность перехода какой-нибудь из них а патогенную форму.
Белок PrPSc вызывает преобразование PrPС в патологическую форму за счет изменения конформации с разрушением альфа-спиралей и образованием бета – спиралей.
Патологический белок PrPSc устойчив к клеточным протеазам и избегает клеточный метаболизм, накапливаясь в структурах лизосом и аппарате Гольджи.
Повреждение лизосом вызывает аутокатализ нейрона, после гибели нейрона PrPSc заражает соседние клетки и откладывается в амилоидных бляшках.
Накопление PrPSc в синаптических структурах и связанная с этим дезорганизация синапсов часто являются причиной развития неврологических нарушений и деменции.
