Микробиология, санитария и гигиена

Лекция

Тема 1.2. Физиология и биохимия микроорганизмов.

Раздел: Общая микробиология

Компетенции, знания, умения и навыки, которыми должны овладеть обучающиеся:

З-1,З-2;

ОК-1,ОК-2,ОК-3,ОК-4,ОК-6,ОК-7.

СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ

Изучение нового материла:

Вопросы(план):

1. Химический состав клеток микроорганизмов.

2. Понятие об обмене веществ у микроорганизмов.

3. Дыхание и брожение микроорганизмов.

4. Рост, размножение, наследственность и изменчивость.

1. Химический состав клеток микроорганизмов.

Состав веществ тела микроорганизмов в принципе мало отличается от химического состава тела животных и растений.

Важнейшими химическими элементами, преобладающими в микроорганизмов, являются углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, натрий, магний, кальций, хлор и железо.

Первые четыре из указанных элементов составляют основу органического вещества, поэтому называются органогенными элементами. Они составляют 90-97% сухого вещества. Другие элементы называются зольными, или минеральными, на долю их приходится 3-10%. Из них большую часть составляет фосфор, который входит в состав важных веществ клетки (нуклеиновых кислот, АТФ и др.).

В клетках микроорганизмов находятся, хотя и в крайне малых количествах, микроэлементы: медь, цинк, марганец, молибден и многие другие. Некоторые микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов.

Соотношение отдельных химических элементов заметно колеблется в зависимости от вида микроорганизма и условий его роста. Содержание (среднее) органогенных элементов в клетках микроорганизмов (в % на сухое вещество) приведено в таблице 1.

Все элементы связаны в клетках в различные соединения, среди которых преобладает вода.

Вода составляет 75-85% массы клеток. Она имеет важное значение в жизни микроорганизмов. Все вещества поступают в клетку только с водой, с ней же удаляются и продукты обмена.

Часть воды в клетке находится в связанном состоянии (с белками, углеводами и другими веществами) и входит в клеточные структуры. Остальная вода находится в

свободном состоянии. Она служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений, образующихся в клетке при обмене веществ. Вода – участник многих химических реакций, протекающих в клетке.

Содержание воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды,

физиологического состояния клетки, ее возраста и т.п. В спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках, за счет низкого содержания в них свободной воды. Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки и более или менее глубокие изменения обмена веществ. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает гибель клетки.

Органические вещества. Сухое вещество клеток микроорганизмов не превышает 5-25% и состоит преимущественно (до 85-95%) из органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и др.

Белковые вещества являются основными компонентами клетки. Содержание их в бактериях достигает 40-80% сухого вещества, в дрожжах 40-60, грибах – 15-40%. По аминокислотному составу белки микроорганизмов сходны с белками других организмов.

Некоторые белки выполняют каталитические функции: катализируют различные биохимические реакции, протекающие постоянно в микробной клетке. Такие белки называются ферментами.

Нуклеиновые кислоты в клетках микроорганизмов – рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК).

ДНК сосредоточена главным образом в ядре клеток или в нуклеоидах бактериальных клеток. В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация клетки, «записаны» все особенности будущего организма, выработанные в процессе длительной эволюции и свойственные данному виду. РНК преимущественно сосредоточена в цитоплазме и в рибосомах.

Углеводы входят в состав различных мембран клеток микроорганизмов. Они используются для синтеза различных веществ в клетке и в качестве энергетического материала. Углеводы могут откладываться в клетке и в виде запасных питательных веществ. В клетках большинства бактерий углеводы составляют 10-30% сухого вещества, у грибов содержание углеводов выше – 40-60%. В теле микроорганизмов углеводы встречаются преимущественно в виде полисахаридов – гликогена, гранулезы (углевод,близкий к крахмалу), декстрина, клетчатки или близких ей соединений.

Полисахариды находятся и в связанном состоянии с белками, липидами.

Липиды в клетках большинства микроорганизмов составляют 3-10% сухого вещества. Лишь у некоторых дрожжей и плесеней количество липидов может быть значительно выше – до40-60%. Липиды входят в состав клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и в состав других мембран, а также откладываются в виде запасных гранул. Часть липидов связана с другими веществами клетки, образуя сложные комплексы.

В клетках микроорганизмов обнаруживают пигменты, витамины и другие органические вещества.

Пигменты или красящие микроорганизмов, иногда они выделяются в окружающую среду.

Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты типа хлорофилла растений – бактериохлорофилл.

Фототрофные бактерии и некоторые дрожжи образуют, кроме того, пигменты – желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые являются провитамином витамина А.

Каротиноиды, как и бактериохлорофилл, участвуют в ассимиляции углекислого газа.

Минеральные вещества. Эти соединения составляют не более 5-15% сухого вещества клетки и представлены сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами и др.

Фосфаты могут быть в свободном виде или входить в состав различных соединений:нуклеиновых кислот, АТФ и АДФ.

Сухой остаток микробной клетки составляет 15-30%. Из них 90-97% приходятся на долю элементов - органогенов: углерода (50%), кислорода (30%), азота (12%), водорода (8%). Процент остальных зольных элементов, например натрия, калия, кальция, фосфора, железа, магния и др., составляет 3-10. Относительная плотность микробной клетки 1,055. Большинство микроорганизмов имеет отрицательный электрический заряд, а спирохеты - положительный.

Органические вещества представлены в клетке в основном белками, углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами: ДНК и РНК. Общее количество органических веществ может значительно колебаться в зависимости от среды обитания (от 40 до 90%) .

Белки составляют основную часть органических веществ в клетке (40-80%) и определяют важнейшие биологические свойства микроорганизмов. Это простые белки- протеины и сложные - протеиды. Белки построены из аминокислот, состав которых характерен для различных видов микроорганизмов. Большое значение имеют нуклеопротеиды, представляющие соединения белка с нуклеиновыми кислотами: ДНК и. РНК. Наряду с ними в клетке встречаются гликопротеиды, липопротеиды, хромопротеиды.

Углеводы являются наиболее вариабельной частью клетки (10-30%), и состав их различен не только у разных видов, но даже у штаммов бактерий. Он зависит от возраста и условий развития микробов. Бактерии содержат простые углеводы - моно- и дисахариды, комплексные углеводы - полиозиды и большие углеводные макромолекулы - полисахариды. Углеводы выполняют в клетке пластическую роль, имеют большое значение как источник энергии, необходимой для обменных процессов. У некоторых микроорганизмов, например пневмококков, полисахаридный состав капсул настолько специфичен, что определение его позволяет разграничить отдельные типы внутри вида. В настоящее время раскрыты и изучены полисахаридные комплексы большинства кишечных бактерий, менингококков, пневмококков и многих других микроорганизмов.

Большое значение имеют также комплексные углеводы, содержащие азот. Например, глюкозамин, входящий в состав клеточной стенки бактерий, определяет ее форму.

Липиды состоят в основном из нейтральных жиров, фосфолипидов и свободных жирных кислот. Количество их.зависит от возраста культуры и вида микроорганизма. Например, у микобактерий туберкулеза количество липидов достигает 40%. Фосфолипиды являются составной частью цитоплазматической мембраны. Липиды также входят в комплекс веществ, образующих клеточные стенки бактерий, особенно грамотрицательных, и определяющих токсические свойства микроорганизмов. Количество-липидов в клетке колеблется от 1 до 40%

Нуклеиновые кислоты - дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) являются важнейшей составной частью клетки. В ДНК бактерий зашифрована вся наследственная информация клетки, а РНК участвует в процессах считывания этой информации, передачи и синтеза белка. Количество нуклеиновых кислот достигает 5-30%.

В состав бактерий входят также сложные небелковые азотистые вещества: различные пурины, полипептиды, аминокислоты.

Минеральный состав микроорганизмов различен и меняется в зависимости от состава питательной среды. Основные элементы, необходимые для жизнедеятельности клетки,- натрий, калий, фосфор, кальций, магний, железо, медь, сера, хлор, кремний. Фосфор, например, входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, многих коферментов. Некоторые фосфорорганические соединения являются своеобразными аккумуляторами энергии, например аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Железо -обязательная часть дыхательных ферментов клетки. Медь содержится в некоторых дыхательных ферментах. Натрии играет роль в поддержании осмотического давления в клетке.

2.Понятие об обмене веществ у микроорганизмов.

Основу жизнедеятельности микроорганизмов, как и всех живых существ, составляет обмен веществ (метаболизм) с окружающей средой.

Обмен веществ представляет собой сложный комплекс разнообразных химических превращений веществ пищи, поступающей в организм из внешней среды (из субстрата). Поступившие в клетку питательные вещества подвергаются «переработке», и из образующихся простых соединений синтезируются сложные клеточные вещества. Этот процесс называют анаболизмом или строительным (конструктивным) обменом. Для осуществления его и других жизненных функций необходима энергия. Организм получает ее в результате окислительно-восстановительных превращений поступивших в него с пищей органических и неорганических веществ. Этот процесс называют катаболизмом , или энергетическим обменом.

Метаболизм – совокупность разнообразных ферментативных реакций, происходящих в микробной клетке и направленных на получение энергии и превращение простых химических соединений в более сложные.Промежуточные или конечные продукты, образующиеся в соответствующей последовательности ферментативных реакций, в результате которых разрушается или синтезируется скелет конкретной биомолекулы, называют метаболитами.

В процессе метаболизма выделяют два вида обмена:

1) пластический (конструктивный):

а) анаболизм (с затратами энергии);

б) катаболизм (с выделением энергии);

2) энергетический обмен (протекает в дыхательныхмезосомах):

а) дыхание;

б) брожение.

Анаболизм- синтез компонентов клетки (конструктивный обмен). Катаболизм - энергетический обмен, связан с окислительно- восстановительными реакциями, расщеплением глюкозы и других органических соединений, синтезом АТФ. Питательные вещества могут поступать в клетку в растворимом виде (это характерно для прокариот)- осмотрофы, или в виде отдельных частиц-фаготрофы.

Известны несколько способов питания живых существ:

• Голозойный способ - живой организм захватывает или заглатывает плотные частицы пищи, которые затем перевариваются в пищеварительном тракте. Этот способ питания характерен для животных.

• Голофитный способ - живые существа используют питательные вещества всасывая их всей поверхностью тела в виде относительно небольших молекул из водного раствора. Этот способ питания характерен для микроорганизмов и растений.

Для микроорганизмов характерно в неклеточное или внешнее питание. Чтобы проникнуть в клетку питательные вещества должны находиться в растворенном состоянии и иметь соответствующий размер молекул. Большинство органических соединений не могут бытьпоглощены и использованы в обмене веществ клеткой микроорганизмов. Микроорганизмы в ответ на присутствие этого вещества в среде (индуктора) синтезируют и выделяют в среду соответствующий индуцибельный фермент (экзофермент), который расщепляет макромолекулу полимера на мономеры, а последние поглощаются клеткой. Кроме того, эукариотные микроорганизмы могут захватывать высокомолекулярные соединения (явления пиноцитоза и фагоцитоза), которые в клетках расщепляются с помощью гидролитических ферментов или используются как строительные блоки в конструктивном обмене (синтез клеточных компонентов).

Особенности метаболизма у бактерий:

1) Быстрота и интенсивность обменных процессов. За сутки мик­робная клетка может переработать такое количество питательных ве­ществ, которое превышает ее собственный вес в 30-40 раз.

2) многообразие используемых субстратов;

3) Выраженная приспособляемость к изменяющимся условиям внешней среды.

4) направленность всех процессов метаболизма на обеспечение процессов размножения;

5) преобладание процессов распада над процессами синтеза;

6) наличие экзо– и эндоферментов метаболизма.

3.Дыхание и брожение микроорганизмов.

Дыхание микроорганизмов представляет собой био­логическое окисление различных органических соединений и не­которых минеральных веществ. В итоге окислительно-восстано­вительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное ко­личество выделяется в окружающую среду.

В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидриро­вание), а восстановление - его присоединения.

Эти термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и элек­тронов или только электронов. При окислении вещества происхо­дит потеря электронов, а при восстановлении - их присоединение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов - эквивалентные процессы.

Энергия, освобождаемая в процессе окислительно-восстановительных реакций, накапливается в макроэргических соединениях АДФ и АТФ (аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат). Эти соединенияимеют макроэргические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии. Они локализованы в сложно устроенных структурах микробных клеток - мезосомах, или митохондриях.

По типу дыхания микроорганизмы делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов.

Аэробные микроорганизмы. Многие аэробные микроорганизмы, к которым относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии, подобно высшим организмам (растения, животные), окисляют органические вещества полностью до углекислого газа и воды. Процесс этот называется дыханием.

В качестве энергетического материала в процессе дыхания микроорганизмы часто используют углеводы. При этом сложные (ди-, три-, полисахариды) ферментативным путем гидролизуются до моносахаридов, которые и подвергаются окислению.

Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением окисления глюкозы:C6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 2,87·10 Дж.

Как видно из уравнения, при полном окислении глюкозы освобождается вся потенциальная (свободная) энергия молекулы глюкозы.

Приведенное уравнение характеризует процесс в суммарном виде, показаны лишь исходный и конечные продукты окисления. Однако процесс этот многоэтапный, протекает при участии многих ферментов с образованием различных промежуточных продуктов.

Обязательным промежуточным продуктом в процессе биологического окисления глюкозы является пировиноградная кислота.

Известно несколько путей расщепления глюкозы до пировиноградной кислоты.

Одним из таких путей распада этого важнейшего промежуточного продукта является гликолитический путь (гликолиз). Он довольно универсален и свойственен многим аэробным и анаэробным микроорганизмам.

Аэробное дыхание микроорганизмов - это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления главным образом сложных органических соединений образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление.

Полное окисление. Основной источник энергии у микроорганизмов - углеводы. В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до образования диоксида углерода и воды с выделением большого количества свободной энергии:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + 674 ккал.

Неполное окисление. Не все аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная и другие, которые образуются плесневыми грибами. Так же осу­ществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями, в которых при окислении этилового спирта образуется не диоксид углерода и вода, а уксусная кислота и вода:

С2Н5ОН + О2 → СН3СООН + Н2О + 116 ккал.

этиловый спирт уксус. к-та

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями мо­жет идти и дальше - до появления диоксида углерода и воды, при этом освобождается большое количество энергии:

С2Н5ОН + 3О2 → 2СО2 + 3Н2О + 326 ккал.

этиловый спирт

Анаэробное дыхание осуществляется без участия молекулярного кислорода. Различают собственно анаэробное дыхание (нитратное, сульфатное) и брожение. При анаэробном дыхании акцепто­ром водорода являются окисленные неорганические соединения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восста­новленные формы. Нитратное дыхание - восстановление нитратов до молекуляр­ного азота. Сульфатное дыхание - восстановление сульфатов до сероводо­рода.

Брожение - расщепление органических углеродсодержащих соединений в анаэробных условиях. Оно характеризуется тем, что последнимакцептором водорода служит молекула органического вещества с ненасыщенными связями. Вещество при этом разлагаетсятолько до промежуточных продуктов, представляющих собой сложныеорганические соединения (спирты, органические кислоты). Заключенная в них энергия не используется микробами, а образовавшаяся в небольших количествах энергия выделяется в ок­ружающую среду.

Типичными примерами анаэробного дыхания являются:

- спиртовое брожение (дыхание дрожжей в анаэробных условиях):

С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 27 ккал;

этилов. спирт

- молочнокислое брожение (дыхание молочнокислых бактерий):

С6Н12О6 → 2С3Н6О3 + 18 ккал;

молочн. к-та

- маслянокислое брожение (дыхание маслянокислых бактерий):

С6Н12О6 → С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2 + 15 ккал;

маслян. к-та

Как видно из приведенных уравнений, при анаэробном дыхании освобождается значительно меньше энергии, чем при аэробном. Поэтому при анаэробном дыхании для того, чтобы обеспечить потребность в необходимом количестве энергии, микроорганизмам необходимо потреблять больше сахаров, чем при аэробном.

Большая часть энергии, образующейся при дыхании, освобождается в окружающую среду. Это вызывает нагревание продуктов, в которых развиваются микроорганизмы. Именно так нагревается вино, в котором происходит спиртовое брожение; нагревается влажное зерно, торф, сено.

4. Рост, размножение, наследственность и изменчивость.

Рост бактерий – увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции.

Размножение бактерий – процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции. Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения.

Рост всегда предшествует размножению. Бактерии размножаются поперечным бинарным делением, при котором из одной материнской клетки образуются две одинаковые дочерние.

Наследственность - свойство организмов повторять в ряду поколений комплекс признаков (особенности внешнего строения, физиологии, химического состава, характера обмена веществ, индивидуального развития и т. д.), имеющихся у предков.

Изменчивость - явление, противоположное наследственности. Она заключается в изменении комбинаций признаков или появлении совершенно новых признаков у особей данного вида.

Изменчивость и наследственность микроорганизмов является частью общебиологической проблемы изменчивости и наследственности. Наследственность и изменчивость в сущности две стороны одного явления. В природе постоянно наблюдается процесс передачи наследственных свойств организма из поколения в поколение и в то же время идет процесс изменчивости.

Наследственность и изменчивость - это два противоречивых и вместе с тем неразрывно связанных между собой процесса. Они основа развития живого мира. По сравнению с другими организмами изменчивость микробов наблюдается чаще и осуществляется легче и быстрее, это объясняется большой быстротой их размножения и пластичностью.

Изменяться могут самые разнообразные свойства микробов - морфологические, ферментативные, антигенные, патогенные и др. Различают ненаследственную и наследственную изменчивость. Ненаследственная изменчивость (модификация) очень часто наблюдается под воздействием различных факторов внешней среды. Она заключается в количественном изменении некоторых свойств микроба, т. е. в ослаблении и утрате или усилении этих свойств. Когда воздействие факторов, вызвавших эти изменения, прекращается, то возникшие измененные признаки также утрачиваются.

Наследственная изменчивость необратима, она развивается вследствие перестройки наследственного аппарата микроорганизма в результате непосредственного внешнего или внутреннего воздействия на него или внедрения чужеродного генетического материала (трансформация, конъюгация, рекомбинация и др.).

Термин «рост» означает увеличение цитоплазматической массы отдельной клетки или группы бактерий в результате синтеза клеточного материала (например, белка, РНК, ДНК). Достигнув определенных размеров, клетка прекращает рост и начинает размножаться.

Под размножением микробов подразумевают способность их к самовоспроизведению, увеличению количества особей на единицу объема. Иначе можно сказать: размножение — это увеличение числа особей микробной популяции.

Бактерии размножаются преимущественно простым поперечным делением (вегетативное размножение) в различных плоскостях: новые клетки располагаются в виде кисти винограда — стафилококки, цепочки — стрептококки, соединения по парам — диплококки, пакетов — сарцины и др.

Процесс деления состоит из ряда последовательных этапов.

Первый этап начинается формированием в средней части клетки поперечной перегородки, состоящей вначале из цитоплазматической мембраны, которая делит цитоплазму материнской клетки на две дочерние. Параллельно синтезируется клеточная стенка, образующая полноценную перегородку между ними. В процессе деления бактерий важным условием является репликация (удвоение) ДНК, которая осуществляется ферментами ДНКполимеразами. При удвоении ДНК происходит разрыв водородных связей и образование двух спиралей ДНК, каждая из которых находится в дочерних клетках. Далее дочерние односпиральные ДНК восстанавливают водородные связи и вновь образуют двуспиральные ДНК. Репликация ДНК и деление клеток происходят с определенной скоростью, присущей каждому виду микроба, что зависит от возраста культуры и характера питательной среды. На пример, скорость роста кишечной палочки составляет 18–20 мин; у микобактерий туберкулеза — 18– 20 ч. Клетки культуры тканей млекопитающих начинают делиться через сутки.

Следовательно, большинство видов бактерий размножаются почти в 100раз быстрее, чем клетки культуры тканей. Типы деления клеток бактерий:

1.клеточное деление опережает разделение, что приводит к образованию «многоклеточных» палочек и кокков;

2. синхронное клеточное деление, при котором разделение и деление нуклеоида сопровождаются образованием одноклеточных организмов;

3.деление нуклеоида опережает клеточное деление, обусловливая образование многонуклеоидных бактерий.

Разделение бактерий, в свою очередь, происходит тремя способами: 1.Разламывающее разделение, когда две индивидуальные клетки, неоднократно переламываясь в месте сочленения, разрывают цитоплазматический мостик и отталкиваются друг от друга, при этом формируются цепочки (сибиреязвенные бациллы);

2.Скользящее разделение, при котором после деления клетки обособляются и одна из них скользит по поверхности другой (отдельные разновидности эшерихий);

3.Секущее разделение, когда одна из разделившихся клеток свободным концом описывает дугу круга, центром которого служит точка ее контакта с другой клеткой, образуя римскую пятерку или клинопись (коринебактерии дифтерии, листерии).

Вопросы для закрепления изученного материала:

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

Информационное обеспечение обучения: презентация, телевизор.