Обмен веществ и энергии у прокариот

ЛФ, ФИУ, ПФ. Занятие № 4

А. Основные положения

 

Особенности метаболизма микроорганизмов.

Бактерии, т.е. прокариотические микроорганизмы, могут использовать любые источники химических соединений, обладают более высокой скоростью метаболических процессов и высокой адаптационной способностью к меняющимся условиям окружающей среды; вирусы, в отличие от клеточных форм жизни не обладают, строго говоря, собственным метаболизмом, используя метаболические потенции клетки-хозяина.

 

Классификация бактерий по источнику углерода.

Бактерии, использующие в качестве источника углерода неорганические соединения, называются аутотрофами, органические соединения – гетеротрофами; те гетеротрофы, которые используют органические соединения не из живой клетки, называются сапрофитами, а те гетеротрофы, которые используют органические соединения живой клетки – называются паразитами (или факультативными, если могут существовать и как сапрофиты, или облигатными – если могут жить только внутриклеточно).

 

Пути проникновения питательных веществ в бактериальную клетку.

Питательные вещества через оболочку бактериальной клетки проникают или без затраты энергии – путём диффузии (простой – без участия пермеаз, облегчённой – с участием пермеаз) или с затратой энергии (путём активного транспорта, который, так же осуществляется с помощью пермеаз; если при этом происходит химическая модификация транспортируемых молекул, то такой процесс называется транслокацией химических групп).

 

Классификации бактерий по потребностям в факторах роста.

Бактерии, способные самостоятельно синтезировать все необходимые им факторы роста из более простых веществ, называются прототрофами, не способные синтезировать один или несколько факторов роста – ауксотрофами.

 

Классификации бактерий по особенностям энергетического метаболизма.

Бактерии, которые получают энергию непосредственно солнечного света, называются фототрофами; бактерии, которые получают энергию в процессе окислительно-восстановительных реакций называются хемотрофами; хемотрофы классифицируются по донорам электронов (если это неорганические соединения – литотрофы, органические – органотрофы) и по акцепторам электронов (если электроны переносятся на внеклеточную молекулу – такой процесс называется окислением, если на внутриклеточную молекулу – такой процесс называется ферментацией).

 

Классификации бактерий по отношению к кислороду воздуха.

Бактерии, которые растут только в присутствии воздуха называются облигатными аэробами; бактерии, которые нуждаются в небольших количествах кислорода называются микроаэрофилами; бактерии, которые нуждаются в повышенном количестве углекислого газа называются капнофилами; бактерии которые выдерживают лишь кратковременный контакт с воздухом, называются аэротолерантными анаэробами; бактерии, которые растут только в отсутствие воздуха, называются облигатными (строгими) анаэробами; бактерии, которые растут как в присутствии воздуха, так и в его отсутствии, называются факультативными анаэробами.

 

Особенности метаболизма риккетсий.

Риккетсии могут расти только внутри живой эукариотической клетки.

 

Особенности метаболизма хламидий.

Так же, как и риккетсии, могут расти только внутри живой эукариотической клетки; кроме того, хламидии не способны синтезировать АТФ (так называемые «энергетические паразиты»).

 

Особенности метаболизма микоплазм.

Патогенные микоплазмы «высасывают» нужные им для построения цитоплазматической мембраны стерины из мембраны эукариотической клетки (так называемые «мембранные паразиты»).

 

Классификация бактериальных ферментов.

Ферменты, которые синтезируются бактериальной клеткой в окружающую среду и действуют в околоклеточном пространстве, называются экзоферментами, ферменты, которые локализуются внутри бактериальной клетки, называются эндоферментами, конститутивные ферменты синтезируются постоянно, индуцибельные ферменты синтезируются бактериальной клеткой, только если «в пределах досягаемости» находится субстрат для их действия.

 

Способы размножения бактерий.

Основной способ размножения для большинства бактерий – бинарное деление, ряд бактерий могут делиться почкованием, фрагментацией нитей, стрептомицеты размножаются экзоспорами, у хламидий существует особый цикл развития.

 

Цикл развития хламидий.

Внутрь эукариотической клетки проникает элементарное тельце, которое превращается в ретикулярное тельце, способное к бинарному делению, ретикулярные тельца после размножения превращаются в элементарные тельца и выходят из клетки.

 

Культивирование микроорганизмов.

Микроорганизмы могут культивироваться in vivo, т.е. в живой клетке (облигатные паразиты: риккетсии, хламидии, вирусы) и in vitro (на искусственных питательных средах: остальные бактерии).

 

Классификация искусственных питательных сред.

Микроорганизмы, кроме облигатных внутриклеточных паразитов, культивируются на искусственных питательных средах, которые классифицируются по консистенции (на плотные, полужидкие и жидкие), по составу (на простые и сложные натуральные, а также синтетические), по назначению (универсальные и специальные основные, а также селективные, дифференциально-диагностические, консервирующие).

 

Требования к условиям культивирования бактерий.

Для, того, чтобы успешно культивировать бактерии на искусственных питательных средах, необходимо учитывать не только их питательные потребности (простые или сложные), но и температуру культивирования, реакцию среды (рН), а также необходимые конкретному виду условия аэрации.

 

Характер роста бактерий на искусственных питательных средах.

На жидких питательных средах большинство бактерий при росте формируют диффузную муть; при росте на плотных питательных средах при густом засеве бактерии формируют сплошной налёт, а при редком – отдельные колонии (S-формы колоний – «гладкие», R-формы колоний – «шероховатые»).

 

Стадии роста периодической бактериальной культуры.

Если бактериальная культура выращивается в пробирке без пересева, то с течением времени в питательной среде накапливаются продукты бактериального метаболизма, а питательная среда, наоборот, истощается: чтобы культура не погибла, ее необходимо периодически пересевать на свежую питательную среду; такая культура называется периодической, в своём росте она проходит девять стадий (фаз) развития: лаг-фаза, фаза положительного ускорения, экспоненциальная фаза или фаза логарифмического роста, фаза отрицательного ускорения, стационарная фаза максимума, фаза ускоренной гибели, фаза логарифмической гибели, фаза уменьшения скорости гибели, стационарная фаза минимума.

 

Б. Лекционный курс

В. Теоретический материал

7. Обмен веществ и энергии у прокариот
7.1. Особенности метаболизма микроорганизмов
7.2. Классификация бактерий по источнику углерода
7.3. Пути проникновения питательных веществ в бактериальную клетку
7.4. Классификация бактерий по потребностям в факторах роста
7.5. Классификация бактерий по особенностям энергетического метаболизма
7.6. Классификация бактерий по отношению к кислороду воздуха
7.7. Особенности метаболизма риккетсий, хламидий, микоплазм
7.8. Классификация бактериальных ферментов
8. Размножение бактерий и принципы их культивирования
8.1. Способы размножения бактерий
8.2. Цикл развития хламидий
8.3. Культивирование микроорганизмов и классификация искусственных питательных сред
8.4. Требования к условиям культивирования бактерий
8.5. Характер роста бактерий на искусственных питательных средах
8.6. Стадии роста периодической бактериальной культуры

 

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ У ПРОКАРИОТ

 

7.1. Особенности метаболизма микроорганизмов

Микроорганизмы обладают рядом принципиальных отличий в протекании метаболических процессов.

А. Бактерии, вследствие принципиально иной клеточной организации, по сравнению с эукариотическими клетками, обладают и принципиально иными чертами осуществления метаболических процессов, которые, в свою очередь, позволяют им занимать их уникальное положение в мире живых существ.

1. Бактерии, в целом, могут использовать любые источники химических соединений. Они «всеядны». Именно бактерии в круговороте веществ играют роль основного механизма минерализации органических веществ.

2. Прокариотическая клетка, по сравнению с эукариотической обладает несравненно более высокой скоростью метаболических процессов.

3. Бактерии в целом обладают высокой адаптационной способностью к меняющимся условиям окружающей среды. Эта способность реализуется у них как на клеточном, так и на популяционном уровнях.

а. На клеточном уровне эта способность детерминируется у прокариот высокой скоростью изменчивости; как фенотипической, так и генотипической.

б. Эта высокая изменчивость, реализуется, в свою очередь, в виде высокой гетерогенности бактериальной популяции. Поэтому, какие бы изменения во внешней среде не «обрушивались» на бактериальную популяцию, в ней всегда (как правило) найдется хотя бы одна клетка, которая, в силу своего отличия от других, сможет существовать в измененной внешней среде, и которая даст начало восстановлению прежней численности популяции. Именно этот процесс, прежде всего, имеют в виду, говоря об адаптации бактерий к меняющимся условиям окружающей среды.

Б. Вирусы, в отличие от клеточных форм жизни не обладают, строго говоря, собственным метаболизмом, используя метаболические потенции клетки-хозяина.

 

7.2. Классификация бактерий по источнику углерода

Так как жизнь на Земле основана на соединениях углерода, этот элемент является основным для построения и успешного функционирования бактериальной клетки.

А. Бактерии, использующие в качестве источника углерода неорганические соединения (углекислый газ, карбонаты), называются аутотрофами. Аутотрофы не вызывают патологических процессов в организме человека и не являются предметом изучения медицинской микробиологии.

Б. Медицинская микробиология имеет дело с бактериями, которые в качестве источника углерода используют органические соединения. Такие бактерии называются гетеротрофами.

1. Те гетеротрофы, которые могут использовать в качестве источника углерода так называемую «мертвую органику» (например, раствор глюкозы), называются сапрофитами.

2. Те гетеротрофы, которые используют в качестве источника углерода органические соединения живой метаболизирующей клетки, называются паразитами.

а. Подавляющее большинство бактерий этой группы могут использовать в качестве источника углерода как «мертвую», так и «живую» органику. Такие бактерии называются факультативными паразитами. Их можно культивировать на искусственных питательных средах, основанных на растворах органических соединений.

б. Риккетсии и хламидии не могут использовать в качестве источника углерода «мертвую» органику. Они могут размножаться только внутри живой клетки, используя ее органические вещества для своих метаболических процессов. Их называют облигатными паразитами. Как и вирусы, эти бактерии не растут на искусственных питательных средах.

 

7.3. Пути проникновения питательных веществ в бактериальную клетку

Углеродсодержащие соединения, наравне с другими питательными веществами должны проникнуть в бактериальную клетку. Этот процесс аналогичен процессу питания более сложно организованных живых существ и поэтому иногда называется «питанием бактерий». У бактериальной клетки нет специализированных органелл для поглощения питательных веществ, последние проникают через клеточную оболочку по всему ее периметру. В большинстве случаев в этом процессе участвуют пермеазы – особые ферментоподобные белки. Пермеазы субстратспецифичны – для каждого вещества существует своя пермеаза, в обратимо связанном виде с которой оно перемещается через клеточную стенку и, если это требуется, цитоплазматическую мембрану.

А. Процесс проникновения питательных веществ через оболочку бактериальной клетки без затраты энергии называется диффузией. Энергия для осуществления диффузии не нужна, так концентрация диффундирующих веществ вне клетки выше, чем внутри ее – их перемещение происходит по градиенту концентрации.

1. Если в этом процессе не участвуют пермеазы, то это – простая диффузия. Таки путем внутрь бактериальной клетки проникают вещества, образующие истинные растворы.

2. Ряд субстратов (например, глицерин) диффундируют через оболочку бактериальной клетки с помощью пермеаз. Такой процесс называется облегченной диффузией.

Б. Концентрация подавляющего большинства необходимых питательных веществ внутри бактериальной клетки превышает их концентрацию в околоклеточном пространстве. Поэтому процесс их перемещения через клеточную оболочку происходит с затратой энергии. И, конечно, в этом процессе участвуют пермеазы.

1. Если при этом переносимые молекулы не претерпевают химических изменений, то такой процесс называется активным транспортом.

2. Если транспорт молекулы сквозь клеточную оболочку сопровождается ее химической модификацией (например, фосфорилированием), то такой процесс называется транслокацией химических групп.

 

7.4. Классификация бактерий по потребностям в факторах роста

Факторами роста (или ростовыми факторами) понимают макромолекулы (азотистые основания, аминокислоты, витамины, липиды и пр.), необходимые для построения и функционирования бактериальной клетки.

А. Бактерии, способные самостоятельно синтезировать все необходимые им факторы роста из более простых веществ (в типичном случае – солей аммония и глюкозы), называются прототрофами.

Б. Ауксотрофы не способны синтезировать один или несколько факторов роста. Чтобы выращивать такие бактерии на искусственной питательной среде, необходимо, чтобы эта среда содержала нужные ростовые факторы «в готовом виде».

 

7.5. Классификация бактерий по особенностям энергетического метаболизма

Этот процесс аналогичен процессу дыхания более сложно организованных живых существ и поэтому иногда называется «дыханием бактерий».

А. Бактерии, которые получают энергию непосредственно солнечного света, называются фототрофами. Такие бактерии не вызывают патологические процессы в организме человека и медицинской микробиологией не изучаются.

Б. Бактерии, которые получают энергию, разлагая более сложные химические вещества до более простых в процессе окислительно-восстановительных реакций с запасанием полученной энергии в виде АТФ и других макроэргических соединений, называются хемотрофами.

1. Донорами электронов при этом могут выступать как неорганические, так и органические соединения.

а. Хемотрофы, использующие в качестве доноров электронов в химических реакциях, сопровождающихся синтезом АТФ, неорганические соединения, называются литотрофами.

б. Хемотрофы, использующие в качестве доноров электронов в химических реакциях, сопровождающихся синтезом АТФ, органические соединения, называются органотрофами.

2. Акцептором электронов в таких реакциях может служить молекула, которая находится или вне бактериальной клетки (так называемый внешний акцептор электронов) или внутри бактериальной клетки (в этом случае говорят о внутреннем акцепторе электронов).

а. Цепь окислительно-восстановительных реакций для получения макроэргических соединений с переносом электронов на внешний акцептор называется окислением. Именно для обозначения этого процесса в бактериологии используется термин «дыхание».

1. Если в качестве такого внешнего акцептора электронов выступает молекулярный кислород, то такой процесс называется аэробным дыханием.

2. В качестве внешнего акцептора электронов некоторые бактерии (например, клостридии) используют не молекулярный кислород, а нитрат или фумарат. В этом случае используют термин анаэробное дыхание (нитратное или фумаратное дыхание).

б. Цепь окислительно-восстановительных реакций для получения макроэргических соединений с переносом электронов на внутренний акцептор называется ферментацией или брожением.

 

7.6. Классификация бактерий по отношению к кислороду воздуха

Вовлечение кислорода воздуха в окислительно-восстановительные реакции сопровождается образованием перекисного радикала (О^•) – атома кислорода с лишним электроном на внешней оболочке. Это очень сильный окислитель. В зависимости от того, как бактерии решают проблему его нейтрализации, и зависит их способность существовать в кислородной среде. На практике простейшим методом определить отношение изучаемого вида бактерий к кислороду воздуха, является регистрация характера роста этих бактерий при засеве уколом в столбик полужидкой среды (Рис. 7-1).

Рис. 7-1. Рост (слева направо) облигатных анаэробов, факультативных анаэробов, облигатных аэробов и микроаэрофилов при засеве уколом в столбик полужидкого агара

 

А. Бактерии, которым кислород абсолютно необходим как внешний акцептор электронов, образовавшийся перекисный радикал с помощью фермента супероксиддисмутазы переводят в перекись кислорода. Это соединение также является окислителем, хотя и менее сильным, чем перекисный радикал. Перекись водорода нейтрализуется с образованием воды и молекулярного кислорода с помощью, например, каталазы. В отсутствии кислорода такие бактерии не растут, так как не могут использовать другие молекулы в качестве акцептора электронов, и поэтому называются облигатными аэробами.

Б. Размножение некоторых бактерий возможно только в атмосфере особого газового состава. Такие бактерии обладают супероксиддисмутазой, но наличие каталазы или других ферментов, нейтрализующих перекись водорода, может быть вариабельно.

1. Микроаэрофилы растут при более низком, чем в атмосферном воздухе, содержании кислорода. К ним относятся, например, молочнокислые бактерии, в большом количестве населяющие кишечник человека.

2. Капнофилы нуждаются в более высоком, чем в атмосферном воздухе, содержании углекислого газа. К ним, например, относятся бруцеллы, вызывающие бруцеллез.

3. Существуют также бактерии, которые требуют для своего успешного культивирования создания особой газовой смеси, включающей как пониженное количество кислорода, так и повышенное – углекислого газа. Т.е. такие бактерии можно определить одновременно как микроаэрофилы и капнофилы. Такие особые требования к аэрации при культивировании предъявляют, например, кампилобактеры и геликобактер.

В. Подавляющие большинство бактерии могут расти в отсутствии кислорода, вследствие чего их называют анаэробами.

1. Некоторые бактерии лишены не только ферментов, нейтрализующих перекись водорода, но и супероксиддисмутазы. В результате чего они погибают при малейшем контакте с атмосферным воздухом и называются облигатными анаэробами. При микробиологической диагностике болезней, вызываемых этой группой бактерий, и взятие патологического материала и посев его на питательные среды, не говоря уже о самом культивировании, необходимо проводить с соблюдением специальных приемов, исключающих контакт возбудителя с атмосферным воздухом.

2. Часть анаэробов, не имея ферментов, нейтрализующих перекись водорода, содержат супероксиддисмутазу. Такие бактерии – аэротолерантные анаэробы – выдерживают кратковременный контакт с атмосферным воздухом, например во время взятия патологического материала или засева его на питательную среду, но культивироваться могут лишь в анаэробных условиях.

3. Однако наиболее часто медицинская микробиология имеет дело с бактериями, которые имеют полный набор ферментов, позволяющих им, расти и размножаться и в присутствии и в отсутствии кислорода воздуха – т.е. в любых условиях аэрации. Такие бактерии называются факультативными анаэробами.

 

7.7. Особенности метаболизма риккетсий, хламидий, микоплазм

Риккетсии, хламидии, а также микоплазмы имеют, по сравнению с остальными прокариотами, принципиальные отличия метаболических процессов.

А. Риккетсии не способны синтезировать некоторые макромолекулы, вследствие чего вынуждены получать их в готовом виде от клетки-хозяина. Поэтому они могут функционировать только внутри живой эукариотической клетки (облигатный внутриклеточный паразитизм).

Б. Хламидии по той же причине, что и риккетсии, являются облигатными внутриклеточными паразитами, но, кроме этого они еще и не способны самостоятельно синтезировать АТФ – их часто называют «энергетическими паразитами».

В. Патогенные микоплазмы не способны синтезировать стерины для своей цитопалзматической мембраны и «высасывают» их из клеточной мембраны клетки-хозяина, что дало повод назвать их «мембранными паразитами».

 

7.8. Классификация бактериальных ферментов

Ферменты бактериальной клетки классифицируются так же, как и ферменты эукариот – в зависимости от типа биохимических реакций, в которых они участвуют. Однако, в бактериологии используется и классификация бактериальных ферментов в зависимости от их локализации, зависимости их синтеза от наличия субстрата; кроме этого отдельную группу составляют ферменты вирулентности (или ферменты патогенности – различия между терминами «патогенность» и «вирулентность» будут рассмотрены ниже).

А. По своей локализации бактериальные ферменты подразделяются на две группы.

1. Ферменты, которые синтезируются бактериальной клеткой в окружающую среду и действуют в околоклеточном пространстве, называются экзоферментами. К ним относятся, например, протеолитические ферменты грамположительных бактерий, пеницилиназы и т.п. Такая локализация ферментов обусловлена их функциональной задачей – они, например, расщепляют макромолекулярный питательный субстрат на низкомолекулярные части, способные транспортироваться внутрь клетки, или инактивируют вещества, обладающие антибактериальной активностью, «на подходе» к клетке.

2. Ферменты, которые локализуются внутри бактериальной клетки, называются эндоферментами. Эндоферменты содержатся в периплазматическом пространстве грамотрицательных бактерий (здесь находится часть тех ферментов, которые у грамположительных бактерий являются экзоферментами, например, протеазы), а также в цитоплазматической мембране и цитоплазме.

Б. По зависимости своего синтеза от наличия субстрата, на который действует фермент, бактериальные ферменты подразделяются также на две группы.

1. Конститутивные ферменты синтезируются постоянно, вне зависимости от наличия в данный момент субстрата для их действия.

2. Индуцибельные ферменты синтезируются бактериальной клеткой только если «в пределах досягаемости» находится субстрат для их действия. Типичным примером этой группы ферментов являются ферменты лактозного оперона.

В. К ферментам вирулентности относятся такие бактериальные ферменты, чьим субстратом действия являются клетки и ткани макроорганизма, в котором паразитирует микроб. Более подробно эта группа бактериальных ферментов будет охарактеризована в 19 главе.