Классификация царства прокариот по определителю Берги
Виды прокариот идентифицируют (распознают) по определителю Д. Берги (Bergeys Manual of Determinative Bacteriology-9), изданному в 1994 г., в котором по структуре клеточной оболочки и отношению к окраске по методу Грама выделено четыре основных отдела (главных таксона): 1 — Gracilicutes (тонкостенные, окрашивающиеся грамотрицательно в розовый цвет), 2 - Firmicutes (толстостенные, окрашивающиеся грамположительно в фиолетовый цвет), 3 - Tenericutes (лишенные оболочек) и 4 -Mendosicutes (с дефектными оболочками), как правило, окрашивающиеся грамотрицательно.
Отделы определителя Берги, в свою очередь, подразделяются на группы. Так, грацилокуты включают 1-16-ю группы, фирмикуты - 17-29-ю, тенерикуты представлены одной 30-й, а мендозикуты - 31-39-й группами. В составе этих групп выделено более 200 родов прокариот, распределенных по семействам, подгруппам, изредка -порядкам (Rickettsiales) и классам {Mollicutes).
При этом детальному описанию видов предшествует обобщенная характеристика наиболее ярких признаков и отличий, используемых в их идентификации, как-то: 1) отношение к кислороду - аэробы - анаэробы, оксигенные - аноксигенные; 2) отношение к источникам энергии и питательных веществ — хемотрофы - фотоаутотро-фы, хемоорганотрофы - фотоорганотрофы, диссимилиру-ющие сульфат или сероредуцирующие бактерии; 3) особенности морфологии - спирохеты, палочки и кокки, эн-доспорообразующие - неспорообразующие, подвижные -неподвижные палочки, почкующиеся, образующие - необразующие плоды и пр.
Подавляющее большинство прокариот - сапрофитические неболезнетворные виды, в частности это все виды 5 групп мендозикут. Патогенные для человека и животных виды встречаются в составе 13 групп среди различных родов и семейств: Leptospira, Borrelia, Treponema (гр. 1); Campylobacter, Helicobacter, Spirillum (гр. 2); Bordetella, Brucella, Francisella, Legionella, Moraxella, Neisseria, Pseudomonas (rp. 4); Escherichia, Klebsiella, Morganella, Proteus, Salmonella, Shigella, Yersinia, Vibrio, Haemophillus, Pasteurella (rp. 5); Bacteroides, Fusobacterium (rp. 6); Veilonella (rp. 8); сем. Rickettsiaceae, Bartonellaceae и Chlamydiaceae (rp. 9); Staphylococcus, Streptococcus, Enterococcus (rp. 17); Bacillus, Clostridium (rp. 18); Erysipelotrix, Listeria (rp. 19); Actinomyces, Corynebacterium (rp. 20); Mycobacterium (rp. 21); Nocardia (rp. 22); Mycoplasma, Ureaplasma (rp. 30).
БАКТЕРИИ
Бактерии — это одноклеточные организмы, лишенные хлорофилла. Средние размеры бактериальной клетки – 2-6 мкм. Размеры и форма клеток бактерий, присущие микроорганизмам определенного вида, могут изменяться под влиянием различных факторов (в зависимости от возраста бактериальной культуры, среды обитания и пр). Это явление называется полиморфизмом.
По форме клетки бактерии делятся на три группы: шаровидные, палочковидные и извитые (рис. 4).
Шаровидные "бактерии называются кокк и (от лат. coccus — ягода) и имеют диаметр клетки от 0,5 до I мкм. Форма кокков разнообразна: сферическая, ланцетовидная, бобовидная. По взаимному расположению клеток после деления среди кокков выделяют: микрококки (от лат. micros — малый) — клетки делятся в разных плоскостях и располагаются поодиночке; диплококки (от лат. diplo-os — двойной) — клетки делятся в одной плоскости и затем располагаются попарно; к ним относятся ланцетовидные пневмококки и бобовидные гонококки и менингококки; стрептококки (от лат. streptos — цепочка) — клетки делятся в одной плоскости- и не расходятся, образуя цепочку; стафилококки (от лат. staphyle — гроздь) — клетки делятся в различных плоскостях, образуя скопления в виде грозди винограда; тетракокки (от лат. tetra — четыре) — клетки делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и располагаются по четыре; сарцины (07 лат. sarcio — соединяю) — клетки делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и располагаются в виде тюков или пакетов по 8 или 16 клеток в каждом.
Кокки широко распространены во внешней среде, а также / в организме человека и животных. Почти все группы кокков, исключая микрококки, тетракокки и сарцины, включают возбудителей инфекционных заболеваний.
Палочковидные формы называются бактериями Средние размеры их от 1 до 6 мкм в длину и от 0,5 до 2 мкм толщину.
Бактерии различаются по внешнему виду: концы и: могут быть закругленными (кишечная палочка), обрубленными (возбудитель сибирской язвы), заостренными (возбудитель чумы) или утолщенными (возбудитель дифтерии). После деления бактерии могут располагаться попарно — диплобактерии (клебсиеллы), цепочкой (возбудитель сибирской язвы), иногда под углом друг к другу или крест-накрест (возбудитель дифтерии). Большинство бактерий располагается беспорядочно.
Среди бактерий встречаются изогнутые формы — вибрионы (возбудитель холеры).
К извитым формам относятся спириллы и спирохеты. Форма их клетки напоминает спираль. Большинство спирилл неболезнетворны.
Строение бактериальной клетки
Для изучения строения бактериальной клетки наряда со световым микроскопом применяют электронно-микроскопические и микрохимические исследования, позволяющие определить ультраструктуру бактериальной клетки.
Бактериальная клетка (рис. 5) состоит из следующих частей: трехслойной оболочки, цитоплазмы с различными включениями и ядерного вещества (нуклеоида). Дополнительными структурными образованиями являются капсулы, споры, жгутики, пили.
Оболочка клетки состоит из наружного слизистого слоя, клеточной стенки и цитоплазматической мембраны.
Слизистый капсульный слой находится снаружи клетки и выполняет защитную функцию.
Клеточная стенка — один из основных структурных элементов клетки, сохраняющий ее форму и отделяющий клетку от окружающей среды. Важным свойством клеточной стенки является избирательная проницаемость, которая обеспечивает проникновение в клетку необходимых питательных веществ (аминокислот, углеводов и др.) и выведение из клетки продуктов обмена. Клеточная стенка сохраняет внутри клетки постоянное осмотическое давление. Прочность стенки обеспечивает муреин, вещество полисахаридной природы. Некоторые вещества разрушают клеточную стенку, например лизоцим.
Бактерии, полностью лишенные клеточной стенки, называются протопластами. Они сохраняют способ-
ность к дыханию, делению, синтезу ферментов; к воздействию внешних факторов: механическому повреждению, осмотическому давлению, аэрации и др. Сохранить протопласты можно только в гипертонических растворах.
Бактерии, с частично разрушенной клеточной стенкой называются сферопластами. Если подавить процесс синтеза клеточной стенки с помощью пенициллина, то образуются L-формы, которые у всех видов бактерий представляют шаровидные крупные и мелкие клетки с вакуолями.
Ц и то п л а з м а т и ч е с к а я мембрана плотно прилегает к клеточной стенке с внутренней стороны. Она очень тонкая (8—10 нм) и состоит из белков и фосфолипидов Это пограничный полупроницаемый слой, через которые осуществляется питание клетки. В мембране находятся ферменты пермеазы, осуществляющие активный пере нос веществ, и ферменты дыхания. Цитоплазматическа мембрана образует мезосомы, принимающие участие делении клетки. При помещении клетки в гипертонический раствор мембрана может отделиться от клеточной стенки
Цитоплазма- внутреннее содержимое бактериальной клетки. Она представляет собой коллоидную систему, состоящую из воды, белков, углеводов, липидов, различных минеральных солей. Химический состав и консистенция цитоплазмы изменяются в зависимости от возраста клетки и условий окружающей среды. В цитоплазме находятся ядерное вещество, рибосомы и различные включения.
Нуклеоид, ядерное вещество клетки ее наследственный аппарат, ядерное вещество прокариотов отличие от эукариотов не имеет собственной мембраны. Нуклеоид зрелой клетки представляет собой двойную нить ДНК, свернутую в кольцо. В молекуле ДНК закодирована генетическая информация клетки. По генетической терминологии ядерное вещество получило название генофор или геном.
Рибосомы находятся в цитоплазме клетки и выполняют функцию синтеза белка. В состав рибосомы входит 6Q% РНК и 40% белка. Количество рибосом в клетке достигает 10 000. Соединяясь вместе, рибосомы образуют полисом ы.
Включения — гранулы, содержащие различные запасные питательные вещества: крахмал, гликоген, жир, волютин. Они расположены в цитоплазме.
Клетки бактерий в процессе жизнедеятельности образуют защитныеорганеллы— капсулы и споры.
Капсула — внешний уплотненный слизистый слой, примыкающий к клеточной стенке. Это защитный орган, который появляется у некоторых бактерий при попадании их в организм человека и животных. Капсула предохраняет микроорганизм от защитных факторов организма (возбудители пневмонии и сибирской язвы). Некоторые микроорганизмы имеют постоянную капсулу (клебсиеллы).
Споры встречаются только у палочковидных бактерий. Они образуются при попадании микроорганизма в неблагоприятные условия внешней среды действие высоких температур, высыхание, изменение рН, уменьшение количества питательных веществ в среде и т. д.). Споры находятся внутри бактериальной клетки и представляют уплотненный участок цитоплазмы с нуклеоидом, одетый собственной плотной оболочкой. По химическому составу они отличаются от вегетативных клеток малым количеством воды, увеличенным содержанием липидов и солей кальция, что способствует высокой устойчивости спор. Спорообразование происходит в течение 18—20 ч; при попадании микроорганизма в благоприятные условия спора в течение 4—5 ч прорастает в вегетативную форму. В бактериальной клетке образуется только одна спора, следовательно, споры не являются органами размножения, а служат для переживания неблагоприятных условий.
Спорообразующие аэробные бактерии называются бациллами, а анаэробные — к л ост р и д и я м и.
Споры отличаются по форме, размерам и расположению в клетке. Они могут располагаться центрально, субтерминально и терминально (рис. 6). У возбудителя сибирской язвы спора располагается центрально, ее размер не превышает поперечника клетки. Спора возбудителя ботулизма расположена ближе к концу клетки— субтерминально и превышает ширину клетки. У возбудителя столбняка округлая спора располагается на конце клетки — терминально и значительно превышает ширину клетки.
Жгутики — органы движения, характерны для палочковидных бактерий. Это тонкие нитевидные фибриллы,
Варианты расположения спор и жгутиков у бактерий. I-споры: 1-центральное; 2-субтерминальное;3-терминальное; II –жгутики: 1-монотрихи; 2 –амфитрихи; 3-лофотрихи; 4-перитрихи.
состоящие из белка — флагеллина. Длина их значительно превышает длину бактериальной клетки. Жгутики отходят от базального тельца, расположенного в цитоплазме, и выходят на поверхность клетки. Наличие их можно обнаружить по определению подвижности клеток под микроскопом, в полужидкой питательной среде или при окраске специальными методами. Ультраструктура жгутиков изучена в электронном микроскопе. По расположению жгутиков бактерии делят на группы (см. рис. 6): монотрихи— с одним жгутиком (возбудитель холеры); амфитрихи— с пучками или единичными жгутиками на обоих концах клетки (спириллы); лофотрихи — с пучком жгутиков на одном конце клетки (фекальный щелочеобразователь); перитрихи — жгутики расположены по всей поверхности клетки (кишечные бактерии). Скорость движения бактерий зависит от количества и расположения жгутиков (наиболее активны монотрихи), от возраста бактерий и влияния окружающих факторов.
Пили_или фимбрии — ворсинки, расположенные на поверхности бактериальных клеток. Они короче и тоньше жгутиков и также имеют спиральную структуру. Состоят пили из белка — пилина. Одни пили (их несколько сотен) служат для прикрепления бактерий к клеткам животных и человека, с/Другими (единичными) связана передача генетического материала из клетки в клетку.
МИКОПЛАЗМЫ
Микоплазмы — клетки, не имеющие клеточной стенки, но окруженные трехслойной липопротеидной цитоп-лазматической мембраной. Микоплазмы могут быть сферической, овальной формы, в виде нитей и звезд. Микоплазмы по классификации Берги выделены в отдельную группу. В настоящее время этим микроорганизмам уделяется все большее внимание как возбудителям заболеваний воспалительного характера. Размеры их различны: от нескольких микрометров до 125—150 нм. Мелкие микоплазмы проходят через бактериальные фильтры и называются фильтрующимися формами
СПИРОХЕТЫ
Спирохеты (см. рис.52) (от лат. speira — изгиб, chaite — волосы) — тонкие, извитые, подвижные одноклеточные организмы, имеющие размеры от 5 до 500 мкм в длину и 0,3 — 0,75 мкм в ширину. С простейшими их роднит способ движения путем сокращения внутренней осевой нити, состоящей из пучка фибрилл. Характер движения спирохет различен: поступательное, вращательное, сгибательное, волнообразное. В остальном строение клетки типичное для бактерий. Некоторые спирохеты слабо окрашиваются анилиновыми красителями. Спирохеты разделяют на роды по количеству и форме завитков нити и ее окончанию. Кроме сапрофитных форм, распространенных в природе и организме человека, среди спирохет имеются болезнетворные — возбудители сифилиса и других заболеваний.
РИККЕТСИИ
Риккетсии — микроорганизмы размером от 0,2 до 30 мкм. Они имеют обычное для бактерий строение клетки: двухслойную оболочку, цитоплазму, нуклеотид. По форме риккетсии. могут быть палочковидными, нитевидными и кокковидными. Все риккетсии внутриклеточные паразиты, т. е. могут развиваться только в клетках живого организма. Они вызывают такие инфекционные заболевания, как сыпной тиф и различные лихорадки. Переносчиками риккетсии являются членистоногие: клещи, вши и блохи, в организме которых риккетсии размножаются.
ВИРУСЫ
Вирусы (см. рис. 53) — мельчайшие организмы неклеточного строения. Вирусная частица носит название вирион. Размеры вирионов составляют от 15 до 400 нм. Большинство вирусов можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Оболочка вириона, капсид, состоит из молекул белка. Внутри находится нуклеиновая кислота только одного типа — ДНК или РНК. По типу нуклеиновой кислоты вирусы делятся на две группы — ДНК и РНК вирусы. Все вирусы являются облигатными (обязательными) паразитами и в лабораториях культивируются в куриных эмбрионах, организме животных или культуре тканей. Форма вирионов разнообразна: сферическая, палочковидная, кубоидальная и сперматозоидная. Размножение вирусов осуществляется путем дельного синтеза оболочки и нуклеиновой кислот клетке хозяина с последующей сборкой вирионов, процесс называется репродукцией. В организме хозяина некоторые вирусы образуют внутриклеточные включения и элементарные тельца, которые видны в обычном световом микроскопе, так как величины их составляют несколько микрометров. Эти образования имеют диагностическое значение. Вирусы вызывают заболевания бактерий, растений, животных. Важнейшими инфекционными заболеваниями человека вирусной природы являются грипп, корь, полиомиелит, гепатит и бешенство.
Среди вирусов выделяют группу фагов (от лат. gos— пожирающий), вызывающих лизис (разрушение) клеток микроорганизмов. Сохраняя присущие вирусам свойства и состав, фаги отличаются структурой вириона. Они не вызывают заболеваний человека и животных.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БАКТЕРИЙ
Для понимания процессов обмена веществ необходимо знать химический состав микроорганизмов. Микроорганизмы содержат те же химические вещества, что и клетки всех живых организмов.
Важнейшими элементами являются органогены _углерод, водород, кислород, азот), которые используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов и липиды; Микроорганизмы содержат также зольные или минеральные элементы. Большая часть их"химически связана с органическими веществами, остальные присутствуют в клетке в виде солей.
В количественном отношении самым значительным компонентом клетки является вода, которая составляет 75 — 85%; на долю сухого вещества, которое состоит из органических (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды) и минеральных соединении, приходится15—25%.
Вода. Значение воды в жизнедеятельности клетки велико. Все вещества поступают в клетку с водой, с ней же удаляются продукты обмена. Вода в микробной клетке находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение, но большая часть ее связана с различными химическими компонентами клетки (белками, углеводами, липидами) и входит в состав клеточных структур.
Свободная вода принимает участие в химических реакциях, протекающих в клетке, является растворителем различных химических соединений, а также служит дисперсной средой для коллоидов. Содержание свободной воды в клетке может изменяться в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста. Так, у споровых форм бактерий значительно меньше воды, чем у вегетативных клеток. Наибольшее количество воды отмечается у капсульных бактерий.
Белки (50—80% сухого вещества) определяют важнейшие биологические свойства микроорганизмов. Это простые белки — протеины и сложные — протеиды. Большое значение в жизнедеятельности клетки имеют нуклеопротеиды — соединение белка с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК). Кроме нуклеопротеидов, в микробной клетке содержатся в незначительных количествах липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды.
Белки распределены в цитоплазме, нуклеоиды, они входят в состав структуры клеточной стенки. К белкам принадлежат ферменты, многие токсины (яды микроорганизмов).
Видовая специфичность микроорганизмов зависит от количественного и качественного состава белковых веществ.
Нуклеиновые кислоты в микробной клетке выполняют те же функции, что и в клетках животного происхождения. ДНК содержится в ядре (нуклеоиде) и обусловливает генетические свойства микроорганизмов. РНК принимает участие в биосинтезе клеточных белков, содержится в ядре и цитоплазме. Общее количество нуклеиновых кислое колеблется от 10 до 30% сухого вещества микробной клетки и зависит от ее вида и возраста.
Углеводы (12—18% сухого вещества) используются микробной клеткой в качестве источника энергии и углерода. Из них состоят многие структурные компоненты клетки (клеточная оболочка, капсула и другие). Углеводы входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной для грамположительных бактерий.
Клетки микроорганизмов содержат простые (моно- и дисахариды) и высокомолекулярные (полисахариды) углеводы. У ряда бактерий могут быть включения, по химическому составу напоминающие гликоген и крахмал, они играют роль запасных питательных веществ в клетке. Углеводный состав различен у разных видов микроорганизмов и зависит от их возраста и условий развития.
Липиды (0,2—40% сухого вещества) являются необходимыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, они участвуют в энергетическом обмене. В некоторых микробных клетках липиды выполняют роль запасных веществ.
Липиды состоят в основном из нейтральных жиров, жирных кислот, фосфолипидов. Общее количество их зависит от возраста и вида микроорганизма. Например, у микобактёрий туберкулеза количество липидов достигает 40%, что обусловливает устойчивость этих бактерий к воздействию факторов внешней среды.
В клетках микроорганизмов липиды могут быть связаны с углеводами и белками, составляя сложный комплекс, определяющий токсические свойства микроорганизмов.
Минеральные вещества — фосфор, натрий, калий, магний, сера, железо, хлор и другие — в среднем составляют 2—14% сухого вещества.
Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, многих ферментов, а также АТФ (аденозин-трифосфорной кислоты), которая является аккумулятором энергии в клетке. Натрий участвует в поддержании осмотического давления в клетке. Железо содержится в дыхательных ферментах. Магний входит в состав рибонуклеата магния, который локализован на поверхности грамположительных бактерий.
Для развития микроорганизмов необходимы микроэлементы, содержащиеся в клетке в очень малых количествах. К ним относят кобальт, марганец, медь, хром, цинк, молибден и многие другие. Микроэлементы участвуют в синтезе некоторых ферментов и активируют их. Соотношение отдельных химических элементов в микробной клетке может колебаться в зависимости от вида микроорганизма, состава питательной среды, характера обмена и условий существования во внешней среде.
ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ
Всем микроорганизмам для осуществления процессов питания, дыхания, размножения необходимы питательные вещества.
В качестве питательных веществ и источников энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения, для нормальной жизнедеятельности им требуются также микроэлементы и факторы роста.
Процесс питания микроорганизмов имеет ряд особенностей: во-первых, поступление питательных веществ происходит через всю поверхность клетки; во-вторых, микробная клетка обладает исключительной быстротой метаболических реакций; в-третьих, микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды обитания. Разнообразие условий существования микроорганизмов обусловливает различные типы питания.
Типы питания определяются по характеру усвоения углерода и азота. Источником других органогенов — водорода и кислорода служит вода. Вода необходима микроорганизмам и для растворения питательных веществ, так как они могут проникать в клетку только в растворенном виде.
По усвоению углерода микроорганизмы делят на два типа: автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы (от греч. autos— сам, trophe — питание) способны синтезирован, сложные органические вещества из простых неорганических соединений. Они могут использовать в качестве источника углерода углекислоту идругие неорганические соединения углерода. Автотрофами являются многие почвенные бактерии (нитрифицирующие, серобактерии и др.).
Гетеротрофы (от греч. heteros — другой, trophe — питание) "для своего роста и развития нуждаются в готовых органических соединениях. Они могут усваивать углерод из углеводов (чаще всего глюкозы), многоатомных спиртов, органических кислот, аминокислот и других органических веществ.
Гетеротрофы предоставляют обширную группу микроорганизмов, среди которых различают сапрофитов и паразитов.
Сапрофиты (от греч. sapros — гнилой, phyton — растение) получают готовые органические соединения, от отмерших организмов. Они играют важную роль в разложении мертвых органических остатков, например бактерии гниения и др.
Па рази ты (от греч. parasitos — нахлебник) живут и размножаются за счет органических веществ живой клет-ки растений, животных или человека. К таким микроорганизмам относятся риккетсии, вирусы и некоторые простейшие. По способности усваивать азот микроорганизмы делятся также на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Аминоавтотрофы для синтеза белка клетки используют молекулярный азот воздуха (клубеньковые бактерии, азотобактер) или усваивают его из аммонийных солей. Аминогетеротрофы получают азот из органических соединений — аминокислот, сложных белков. К ним относят все патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитов.
По источникам энергии среди микроорганизмов различают фототрофы использующие для биосинтетических реакций энергию солнечного света (пурпурные серобактерии) и хемотрофы, которые получают энергию за счет окисления неорганических веществ (нитрифицирующие бактерии и др.) и органических соединений (большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды).
Однако резкой границы между типами питания микробов провести нельзя, так как есть такие виды микроорганизме, которые могут переходить от гетеротрофного типа питания к автотрофному, и наоборот.
В настоящее время для характеристики типов питания введена новая терминология: гетеротрофы называют органотрофами, а автотрофы — литотроф_а_м_и_, (от греч. litos — камень), так как подобные микроорганизмы способны расти в чисто минеральной среде.
Факторы роста. Микроорганизмы для своего роста и размножения нуждаются в особых веществах, которые сами синтезировать не могут и должны по.аунахь. их в готовом виде. Эти вещества называют факторами роста, и нужны они микробным клеткам в небольших количествах. К ним относят различные витамины, некоторые аминокислоты (необходимые для синтеза белка), пуриновые- и пиримидиновые основания (идущие на построение нуклеиновых кислот) и др. Многие факторы роста входят в состав различных ферментов и играют роль катализаторов в биохимических процессах.
Знание потребностей микроорганизмов в питательных веществах и факторах роста очень важно, в частности, для создания питательных сред, применяемых для их выращивания.
Транспорт питательных веществ. Питательные вещества могут проникать в цитоплазму микробных клеток только в виде небольших молекул и в растворенном виде.
Сложные органические вещества (белки, полисахариды и др.) предварительно подвергаются воздействию ферментов, выделяемых микробной клеткой, и после этого становятся доступными для использования. Транспорт питательных" веществ в клетку и выход из нее продуктов метаболизма осуществляется в основном через цитоплазматическую мембрану.
Питательные вещества проникают в клетку несколькими способами:
1. Пассивная диффузия. т. е. перемещение веществ через толщу мембраны, в результате чего выравниваются концентрация веществ и осмотическое давление по обе стороны оболочки. Таким путем могут проникать питательные вещества, когда концентрация в среде значительно превышает концентрацию веществ в клетке.
2. Облегченная диффузия — проникновение питательных веществ в клетку с помощью активного переноса их особыми молекулами-переносчиками, называемыми пермеазами. Это вещества ферментной природы, которые локализованы на цитоплазматической мембране и обладают специфичностью. Каждая пермеаза адсорбирует соответствующее питательное вещество на наружной стороне цитоплазматической мембраны, вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне ее транспортируемое вещество в цитоплазму. Этот процесс совершается без использования энергии, так как перемещение веществ происходит от более высокой концентрации к более низкой.
3. Активный транспорт питательных веществ осуществляется также с помощью пермеаз, но этот процесс требует затраты энергии. В этом случае питательное вещество может проникнуть в клетку, если концентрация его в клетке значительно превышает концентрацию в среде.
4. В ряде случаев транспортируемое вещество может подвергаться химической модификации, и такой способ переноса веществ получил название переноса радикалов или транслокации химических групп. По механизму передачи транспортируемого вещества этот процесс сходен с активным транспортом.
Выход веществ из микробной клетки осуществляется или в виде пассивной диффузии, или в процессе облегченной диффузии с участием пермеаз.
ФЕРМЕНТЫ И ИХ РОЛЬ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ
Ферменты — это вещества белковой природы, вырабатываемые живой клеткой. Они являются биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов.
По химическому строению, свойствам и механизму действия ферменты микробов сходны с ферментами, образующимися в клетках и тканях животных и растений. Ферменты микробной клетки локализуются в основном в цитоплазме, некоторые содержатся в ядре и клеточной оболочке. Микроорганизмы могут синтезировать самые разнообразные ферменты, относящиеся к шести известным классам: оксиредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.
Характерным свойством ферментов является специфичность действия, т. е. каждый фермент реагирует с определенным химическим соединением или катализирует одну или несколько близких химических реакций. Например, фермент лактаза расщепляет лактозу, мальтаза — мальтозу.
Активность ферментов зависит от температуры среды, рН. и других факторов. Для многих патогенных микроорганизмов оптимальное значение рН 7,2—7,4, а оптимальная температура находится в пределах 37—50 °С.
Ферменты микроорганизмов классифицируются на экзоферменты и эндоферменты. Эк з о ф е р м е н т ы, выделяясь во внешнюю среду, расщепляют макромолекулы питательных веществ до более простых соединений, которые могут быть усвоены микробной клеткой. Так, к экзоферментам относят гидролазы, вызывающие гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате этих реакций белки расщепляются на аминокислоты и пептоны, жиры— на жирные кислоты и глицерин, углеводы (полисахариды)— на дисахариды и моносахариды. Распад белков вызывают ферменты протеазы, жиров — липазы, углеводов— карбогидразы.
Эндоферменты участвуют в реакциях обмена веществ, происходящих внутри клетки.
У микроорганизмов различают также конститутивные и индуктивные ферменты. Конститутивные ферменты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий существования. Это в основном ферменты клеточного обмена: протеазы, липазы, карбогидразы и др. Индуктивные (адаптивные) ферменты синтезируются в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной среде, и когда микроорганизм вынужден его усваивать. Например, если бактерии, не вырабатывающие в обычных условиях фермента амилазы, расщепляющей крахмал, засеять на питательную среду, где единственным источником углерода Служит крахмал, то они начинают синтезировать этот фермент. Таким образом, индуктивные ферменты позволяют микробной клетке приспособиться к изменившимся условиям существования.
Наряду с ферментами обмена многие патогенные бактерии вырабатывают также ферменты агрессии, которые служат для преодоления естественных защитных барьеров макроорганизма и являются факторами патогенности. К таким ферментам относятся гиалуронидаза, дезоксирибонуклеаза, лецитовител-.1а з а и др. Например, гиалуронидаза расщепляет межклеточное вещество соединительной ткани (гиалуроновую кислоту) и тем самым способствует распространению возбудителя в макроорганизме.
Выделение микроорганизмами различных ферментов определяет их биохимические свойства. Ферментный состав любого микроорганизма является достаточно постоянным признаком, а различные виды микроорганизмов довольно четко различаются по набору ферментов. Поэтому изучение ферментативного состава имеет важное значение для дифференциации и идентификации различных микроорганизмов.
Практическое использование микробных ферментов. Издавна человек использовал ферментативную активность дрожжей в пивоварении и виноделии. Применение ферментов в пищевой промышленности позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повысить выход и улучшить качество готовой продукции. Ферменты, выделенные из определенных видов микроскопических грибов, используются в процессе изготовления пшеничного теста, что позволяет увеличить объем, пористость выпеченного хлеба, улучшить его свежесть, аромат, вкус. Ферментные препараты некоторых микроорганизмов применяют для ускорения процессов выделения соков из плодов и ягод.
С целью получения высококачественных кормов для сельскохозяйственных животных процессы микробного синтеза используются при силосовании зеленых трав; благодаря ферментативной активности дрожжей, размножающихся на отходах нефти (парафинах), получают белково-витаминные концентраты, которые являются ценным питательным веществом — их добавляют к грубым кормам для животных.
Ферменты позволяют некоторым микроорганизмам усваивать метан, и эти виды бактерий используют для борьбы с метаном в шахтах. Известно, что ферменты бактерий (в частности, сенной палочки) широко применяются в качестве биодобавок к стиральному порошку «Ока» и стиральной пасте «Био». Эти препараты удаляют белковые загрязнения, так как ферменты расщепляют белки до водорастворимых веществ, легко смываемых при стирке.
В медицинской промышленности с помощью ферментов микроорганизмов получают витамины, гормоны, алкалоиды.
ДЫХАНИЕ БАКТЕРИЙ
Дыхание (или биологическое окисление) микроорганизмов представляет собой совокупность биохимических процессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микробных клеток.
Все физиологические процессы, такие как движение, рост и размножение, образование спор и капсул, выработка токсинов, могут осуществляться при постоянном притоке энергии. Микроорганизмы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров и т. д. Сущность окисления состоит в том, что окисляемое вещество отдает электроны, а восстанавливаемое получает их.
По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на облигатные (строгие) аэробы, облигатные анаэробы и факультативные (необязательные) анаэробы.
Облигатные аэробы (микобактерии туберкулеза и др.) живут и развиваются при свободном доступе кислорода, т. е. реакции окисления осуществляются у них при участии молекулярного кислорода с высвобождением большого количества энергии. Примером может служить окисление глюкозы в аэробных условиях:
C6Hi,06+602^6C02+6H20 + 2882,6 кД (688,5 ккал)
Существуют и микроаэрофилы, которые нуждаются в малых количествах кислорода (некоторые лептоспиры, бруцеллы).
Облигатные анаэробы (клостридии столбняка, ботулизма и др.) способны жить и размножаться только в отсутствие свободного кислорода воздуха. Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с образованием небольшого количества энергии. Так, при анаэробном разложении 1 моль глюкозы энергии выделяется значительно меньше, чем при аэробном дыхании: С6Н |2О6-2С2Н5ОН + 2СО2+130,6 кД (31,2 ккал)
Наличие свободного кислорода для облигатных анаэробов является губительным. Это связано с тем, что в присутствии кислорода конечным продуктом окисления органических соединений оказывается перекись водорода. А поскольку анаэробы не обладают способностью продуцировать фермент каталазу, расщепляющую перекись водорода, то она накапливается и оказывает токсическое действие на бактерии.
Факультативные анаэробы могут размножаться как при наличии молекулярного кислорода, так и при отсутствии его. К ним относят большинство патогенных и сапрофитных бактерий.
Процессы разложения органических веществ в бескислородных условиях, сопровождающиеся выделением энергии, называют также брожением. В зависимости от участия определенных микроорганизмов и конечных продуктов расщепления углеводов различают несколько типов брожения: спиртовое, осуществляемое дрожжами; молочно-кислое, вызываемое молочно-кислыми бактериями; масляно-кислое, обусловленное масляно-кислыми бактериями и др.
Выделение тепла при дыхании микроорганизмов можно наблюдать при выращивании культур в сосудах, защищенных от потери тепла,— температура питательной среды будет постепенно повышаться. С выделением избыточного тепла при дыхании некоторых микроорганизмов связаны процессы самовозгорания торфа, навоза, влажного сена и хлопка.
Биохимические механизмы дыхания более подробно изложены в учебниках биологической химии.
ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ
Питательные среды являются основой—микробиологией работы, и их качество нередко определяет результаты всего исследования. Среды должны создавать оптимальные (наилучшие) условия для жизнедеятельности микробов.
Требования, предъявляемые к средам
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|