Химическая структура, биохимические свойства и ферменты бактерий

Химические элементы, входящие в состав живой материи, можно разделить на три основные группы.

1.Биогенные химические элементы (С, О, N, H). На их долю

приходится 95% сухого остатка, в т.ч. 50% – C, 20% – O2, 15% – N, 10% – H.

2.Макроэлементы – P, S, Cl, K, Mg, Ca, Na. На них приходится около 5 %.

3.Микроэлементы – Fe, Cu, I, Co, Mo и др. На них приходятся доли процента, имеют важное значение в обменных процессах.

Химические элементы входят в состав различных веществ – воды, белков, липидов, нейтральных жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Синтез соединений контролируется генами. Многие вещества бактериальная клетка может получать извне – из окружающей среды или организма хозяина.

Важнейшие химические элементы – углерод, водород, кислород, азот. В количественном отношении вода составляет около 75-85% массы клетки, органические (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды) и минеральные соединения(15-25%).

Вода. Содержание воды больше в капсульных бактериях, меньше всего – в спорах. С водой вещества поступают в клетку, тем самым выводятся продукты метаболизма. Связанная вода входит в состав белков, липидов, углеводов, клеточных структур. Свободная вода принимает участие в химических реакциях, является растворителем. Вода служит дисперсной средой для коллоидов.

Белки (50-80%сухого вещества). Простые белки (протеины), сложные (протеиды:нуклео-,липогликопротеиды). Видовая принадлежность микроорганизмов зависит от количественного и качественного состава белков. В состав белков входят как обычные для эукариотов аминокислоты, так и оригинальные – диаминопимелиновая, D-аланин, D-глютанин, – входящие в состав пептидогликанов и капсул некоторых бактерий. Только в спорах находится дипиколиновая кислота, с которой связана высокая резистентность спор. Жгутики построены из белка флагеллина, обладающего сократительной способностью и выраженными антигенными свойствами. Пили (ворсинки) содержат особый белок – пилин.

Пептидную природу имеют капсулы представителей рода Bacillus, возбудителя чумы, поверхностные антигены ряда бактерий, в том числе стафилококков и стрептококков. Белок А – специфический белок S.aureus – фактор, обусловлавливающий ряд свойств этого возбудителя. Белок М – специфический белок гемолитических стрептококков серогруппы А, позволяющий дифференцировать серовары (около 100), что имеет эпидемиологическое значение.

Ряд белков содержит наружная мембрана грамотрицательных бактерий, из которых 3–4 мажорных (основных) и более10-и– второстепенных, выполняющих различные функции. Среди мажорных белков выделяют порины, образующие диффузные поры, через которые в клетку могут проникать мелкие гидрофильные молекулы.

Белки входят в состав пептидогликана, составляющего основу КС и определяющего постоянную форму бактерий и ряд их свойств. Пептидогликан содержит родо- и видоспецифические антигенные детерминанты. Он запускает классический и альтернативный пути активации системы комплемента. Пептидогликан тормозит фагоцитарную активность и миграцию макрофагов. Он способен инициировать развитие гиперчувствительности замедленного типа (ГЗТ). Пептидогликан обладает противоопухолевым действием. Он оказывает пирогенное действие, т.е. вызывает лихорадку.

Из соединений белков с небелковыми компонентами наибольшее значение имеют липопротеиды, гликопротеиды и нуклеопротеиды.

Удивительное таинство жизни – синтез белка – осуществляется в рибосомах. Существует два основных типа рибосом – 70S (S- константа седиментации, единица Сведберга) и 80S. Рибосомы первого типа встречаются только у прокариотов. Антибиотики не действуют на синтез белка в рибосомах типа 80S, распространенных у эукариотов.

Нуклеиновые кислоты (10-30%сухого вещества). ДНК обусловливает генетические свойства микроорганизмов; РНК участвует в биосинтезе клеточных белков, содержится в ядре и цитоплазме.

Углеводы (12-18%сухого вещества): источник энергии и углерода. Из них состоят структурные компоненты клетки (клеточная стенка, капсула и др.). Углеводы встречаются чаще в виде полисахаридов, которые могут быть экзо- и эндоклеточными. Среди экзоклеточных полисахаридов выделяют каркасные (входят в состав капсул) и истинно экзополисахариды (выходят во внешнюю среду). Среди бактериальных полисахаридов многие находят медицинское применение. Декстраны – полисахариды с большой молекулярной массой, по виду напоминают слизь.6%-ныйраствор – кровезаменитель, полиглюкин. Декстрановый гель сефадекс используется в колоночной хроматографии как молекулярное сито. Эндоклеточные полисахариды – запасные питательные вещества клетки (крахмал, гликоген и др.).

 

Липополисахарид (ЛПС) – один из основных компонентов клеточной стенки грамотрицательных бактерий, это соединение липида

сполисахаридом. ЛПС состоит из комплекса:

1.Липид А.

2.Одинаковое для всех грамотрицательных бактерий полисаха-

ридное ядро.

3.Терминальная сахаридная цепочка (О – специфическая боко-

вая цепь).

Синонимы ЛПС – эндотоксин, О-антиген.ЛПС выполняет две основные функции: определяет антигенную специфичность и является одним из основных факторов патогенности. Токсические свойства проявляются преимущественно при разрушении бактериальных клеток. Его токсичность определяется липидом А. ЛПС запускает синтез более20-йбиологически активных веществ, определяющих патогенез эндотоксикоза, обладает пирогенным действием.

Липиды (0,2-40%сухого вещества). Входят в состав ЦПМ и КС; участвуют в энергетическом обмене. В клетке они представлены в виде нейтральных жиров, жирных кислот, фосфолипидов. Липиды, связываясь с углеводами и белками, образуют сложный комплекс, определяющий токсические свойства микроорганизмов. В состав липидов входят различные жирные кислоты, весьма специфичные для разных групп микроорганизмов. Их определение имеет в ряде случаев диагностическое значение, например у анаэробов, микобактерий.

У микобактерий туберкулеза в составе липидов имеется ряд кислотоустойчивых жирных кислот – фтионовая, миколовая и др. Высокое содержание липидов и их состав определяют многие свойства микобактерий туберкулеза: устойчивость к кислотам, щелочам и спиртам; трудная окрашиваемость красителями; устойчивость возбудителя к солнечной радиации и дезсредствам; патогенность.

Тейхоевые кислоты встречаются в клеточных стенках грамположительных бактерий. Представляют собой водорастворимые линейные полимеры, содержащие остатки глицерина или рибола, связанные фосфодиэфирными связями. С тейхоевыми кислотами связаны главные поверхностные антигены ряда грамположительных бактерий.

Минеральные вещества (2-14%сухого вещества) – Р, Na, K, Mg, S, Fe, Cl и др.

Р входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, многих ферментов, АТФ.

Na участвует в поддержании осмотического давления в клетке.

Mg входит в состав рибонуклеата магния, который локализован на поверхности грамположительных бактерий.

Fe содержится в дыхательных ферментах.

Лекция 5

ФИЗИОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

Физиология изучает жизненные функции бактерий: питание, дыхание, рост и размножение. В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ (метаболизм).

Обмен веществ – метаболизм – состоит из двух процессов: асси-

миляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм). Процесс асси-

миляции – усвоение питательных веществ и использование их для синтеза клеточных структур (конструктивный обмен). Процесс диссимиляции – расщепление и окисление питательных веществ с синтезом АТФ, выделением энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки (энергетический обмен). Все метаболические процессы совершаются с участием ферментов.

Питание бактерий

Особенности питания бактерий:

поступление питательных веществ через всю поверхность микробной клетки;

высокая скорость метаболических процессов;

способность быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды обитания.

По усвоению углерода м/о делятся на 2 типа: аутотрофы могут использовать для построения своих клеток неорганический углерод

ввиде СО2; гетеротрофы нуждаются в готовых органических соединениях: они могут усваивать углерод из углеводов, многоатомных спиртов, органических кислот, аминокислот и др. Гетеротрофы

всвою очередь делятся на сапрофиты и паразиты: сапрофиты получают готовые органические соединения от отмерших организмов (бактерии гниения), паразиты – за счет органических веществ живой клетки растений, животных или человека (риккетсии, вирусы и некоторые простейшие).

 

По усвоению азота микроорганизмы делятся на 2 группы: аминоавтотрофы: для синтеза белка используют молекулярный азот воздуха (клубеньковые бактерии, азотобактер) или усваивают его из аммонийных солей; аминогетеротрофы: получают азот из органических соединений – аминокислот, сложных белков (патогенные м/о, большинство сапрофитов).

Энергия запасается бактериальной клеткой в форме молекул АТФ. Выделяют фототрофы (источником энергии для них является свет); хемотрофы (энергию получают за счет окислительновосстановительных реакций).

По типу дыхания микроорганизмы делятся на: Облигатные (строгие) аэробы; Облигатные анаэробы;

Факультативные (необязательные) анаэробы.

Облигатные аэробы (микобактерии туберкулеза) – для их жизнедеятельности необходим свободный кислород. Реакции окисления идут при участии молекулярного кислорода с высвобождением большого количества энергии.

Облигатные анаэробы (клостридии столбняка, ботулизма и др.) способны жить и размножаться только при отсутствии свободного кислорода. Дыхание происходит путем ферментатизации субстрата с образованием небольшого количества энергии.

Факультативные анаэробы могут размножаться как при наличии кислорода, так и без него (большинство патогенных и сапрофитных бактерий).

Основные методы создания анаэробных условий для культивирования микроорганизмов.

1.Физический – откачивание воздуха, введение специальной газовой безкислородной смеси (чаще – N2 – 85%, CO2 – 10%, H2 – 5%).

2.Химический – применяют химические поглотители кислоро-

да.

3.Биологический – совместное культивирование строгих аэробов и анаэробов (аэробы поглощают кислород и создают условия для размножения анаэробов).

4.Смешанный – используют несколько разных подходов. Необходимо отметить, что создание оптимальных условий для

строгих анаэробов – очень сложная задача. Очень непросто обеспечить постоянное поддержание безкислородных условий культивирования, необходимы специальные среды без содержания растворенного кислорода, поддержание необходимого окислительновосстановительного потенциала питательных сред, взятие и доставка, посев материала в анаэробных условиях.

Существует ряд приемов, обеспечивающих более подходящие условия для анаэробов – предварительное кипячение питательных сред, посев в глубокий столбик агара, заливка сред вазелиновым маслом для сокращения доступа кислорода, использование герметически закрывающихся флаконов и пробирок, шприцев и лабораторной посуды с инертным газом, использование плотно закрывающихся эксикаторов с горящей свечой. Используются специальные приборы для создания анаэробных условий – анаэростаты. Однако в настоящее время наиболее простым и эффективным оборудованием для создания анаэробных и микроаэрофильных условий является система «Газпак» со специальными газорегенерирующими пакетами, действующими по принципу вытеснения атмосферного воздуха газовыми смесями в герметически закрытых емкостях.

Рост и размножение бактерий. Рост – увеличение размеров от-

дельной особи и упорядоченное воспроизведение всех клеточных компонентов и структур. Размножение – способность микроорганизмов к самовоспроизведению. Основной способ размножения: поперечное деление. Сначала идет удвоение молекул ДНК. Каждая дочерняя клетка получает копию материнской ДНК. Процесс деления считается законченным, когда цитоплазма дочерних клеток разделена перегородкой.

Размножение бактерий в жидкой питательной среде:

фаза 1 – исходная стационарная илилаг-фаза:адаптация клеток к питательной среде, повышение интенсивности обменных процессов, увеличение размера клетки. К концу фазы бактерии начинают размножаться;

фаза 2 – логарифмического роста: интенсивное размножение

– возрастание количества клеток в геометрической прогрессии;

фаза 3 – стационарная: количество клеток остается постоянным, т.к. число вновь появившихся клеток почти равно числу отмирающих клеток;

фаза 4 – отмирание: снижение жизнеспособности клеток, и их гибель. Причины: истощение питательной среды, накопление в ней вредных продуктов метаболизма, снижение количества молодых клеток.

 

 

Лекция 6