Поступление веществ в бактериальную клетку зависит от величины и растворимости молекул в липидах или воде, рН среды, концентрации веществ, различных факторов проницаемости мембран.
Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы и ионы, задерживая макромолекулы массой более 600 Да. Основным регулятором поступления веществ в клетку является ЦПМ.
Выделяют 4 механизма проникновения веществ в клетку: 1) простая диффузия по градиенту концентрации; 2) облегченная диффузия по градиенту концентрации и с участием ферментов; 3) активный транспорт против градиента концентрации с затратой энергии и с участием ферментов-пермеаз; 4) транслокация химических групп (перенос измененных молекул).
При простой диффузии перемещение веществ происходит вследствие разницы их концентрации по обе стороны ЦПМ. Вещества проходят через липидную часть ЦПМ (органические молекулы, лекарственные препараты) и реже по заполненным водой каналам в ЦПМ. Пассивная диффузия идет без затраты энергии. Облегченная диффузия происходит также в результате разницы концентрации веществ по обе стороны ЦПМ. Но этот процесс идет с помощью белков-переносчиков пермеаз, которые синтезируются в ЦПМ. Облегченная диффузия протекает без затраты энергии, вещества перемещаются от более высокой концентрации к более низкой.
Активный транспорт происходит с помощью пермеаз и направлен на перенос веществ от меньшей концентрации в сторону большей. Поэтому этот процесс сопровождается затратой метаболической энергии АТФ, которая образуется в результате окислительно-восстановительных реакций в клетке.
Перенос (транслокация) групп сходен с активным транспортом, но отличается тем, что переносимая молекула видоизменяется в процессе переноса, например фосфорилируется. Выход веществ из клетки идет за счет диффузии и при участии транспортных систем.
Ферменты бактерий
Ферменты – биологические катализаторы. Они имеют белковую природу, сравнительно высокий молекулярный вес, высокоспецифичны, быстро действуют, термолабильны, способны сохранять свою активность и после гибели клеток.
Ферменты классифицируются на:
1) экзоферменты, катализирующие процессы расщепления сложных веществ вне клетки;
2) эндоферменты – катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки.
По объекту действия они подразделяются:
а) ферменты белкового синтеза – связаны с рибосомами,
б) ферменты энергетического обмена и транспорта питательных веществ, располагаются в ЦПМ и мезосомах,
в) ферменты метаболизма белка,
г) ферменты, расщепляющие углеводы.
Известно более 2000 ферментов, которые объединены в 6 классов:
1) оксидоредуктазы – окислительно-восстановительные ферменты (к ним относят дегидрогеназы, оксидазы);
2) трансферазы – переносят отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим;
3) гидролазы – ускоряют реакции гидролиза, т.е. расщепление веществ на более простые с присоединением молекул воды (эстеразы, фосфатазы, глюкозидазы);
4) лиазы – разрывают связи между атомами углерода негидролитическим путем (карбоксилазы);
5) изомеразы – превращают органические соединения в их изомеры (фосфогексоизомераза).
6) лигазы – ускоряют синтез сложных соединений из более простых (аспарагинсинтетаза).
Кроме этого различают: а) конститутивные ферменты, которые синтезируются клеткой постоянно (лиазы, оксидазы); б) индуктивно-адаптивные – синтезируются только в присутствии субстрата (пенициллиназа, щелочная фосфатаза).
У патогенных микробов есть еще и ферменты агрессии, которые способствуют проникновению, распространению и паразитированию микроорганизмов в макроорганизме (гиалуронидаза, коллагеназа, нейраминидаза, коагулаза, ДНКаза).
Значение ферментов: 1) катализируют процессы дыхания, питания, размножения; 2) используются в диагностике при определении вида возбудителя по биохимическим свойствам. С этой целью применяют дифференциально-диагностические среды, на которых изучают способность ферментов микробов разлагать углеводы, белки до конечных продуктов обмена. Каждый вид микроба обладает определенным набором ферментов, что обусловлено генотипом. Наибольшая активность у непатогенных микробов. У патогенных микробов биохимическая активность ниже. Ферменты микробов используют в генной инженерии (рестриктазы, лигазы) для получения биологически активных соединений, для получения уксусной, молочной, лимонной и других кислот, молочнокислых продуктов, в виноделии и других отраслях. Их добавляют в качестве биодобавок в стиральные порошки для уничтожения загрязнений белковой природы.
Дыхание микроорганизмов
Дыхание микроорганизмов – сопряженный окислительно-восстановительный процесс, при котором происходит перенос электронов и протонов от окисляемого вещества до восстанавливаемого, в результате образуется АТФ – универсальный аккумулятор химической энергии.
Все физиологические процессы – питание, рост, размножение, образование спор, капсул, выработка токсинов – осуществляются при постоянном притоке энергии. Микробы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров. Основную роль в дыхании большинства микроорганизмов играет цикл трикарбоновых кислот, где органические вещества как источник энергии окисляются до углекислого газа и воды, а отнятый от них пиридиновыми и флавиновыми ферментами электрон передается по дыхательной цепи активированному кислороду. Освободившаяся в результате этих процессов энергия закрепляется в АТФ или других органических фосфатах. У микроорганизмов, кроме цикла трикарбоновых кислот, может проходить цикл дикарбоновых кислот, пентозофосфатный шунт.
По типу дыхания все микроорганизмы разделяются на:
1) облигатные (строгие) аэробы,
2) облигатные анаэробы,
3) факультативные (необязательные) анаэробы,
4) микроаэрофилы.
Строгие аэробы (Pseudomonas aeruginosa, Bordetella pertussis) не могут жить и размножаться в отсутствие молекулярного кислорода, так как они его используют в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются ими при окислительном фосфорилировании с участием оксидаз и флавинзависимых дегидрогеназ с дальнейшим включением в цикл трикарбоновых кислот. При этом, если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород, выделяется значительное количество энергии.
Облигатные анаэробы (Сlostridium tetani, Сlostridium botulinum, Сlostridium perfringens, бактероиды) способны жить и размножаться только в отсутствии свободного кислорода воздуха. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков, липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата (пировиноградной кислоты). При этом выделяется небольшое количество энергии. Акцептором водорода или электронов у анаэробов может быть сульфат. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением. По конечному продукту расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, муравьинокислое, маслянокислое и пропионовокислое брожение. Наличие свободного кислорода для строгих анаэробов является губительным, так как у них нет ферментов (каталаз), способных расщеплять Н2О2; понижен окислительно-восстановительный (редокс) потенциал; отсутствуют цитохромы.
Факультативные анаэробы могут расти и размножаться как в присутствии кислорода, так и без него (стафилококки, кишечная палочка). Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании. Факультативные анаэробы могут осуществлять анаэробное дыхание, которое называется нитратным. Нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака. Среди факультативных анаэробов различают аэротолерантные бактерии, которые растут при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.
Микроаэрофилы растут при сниженном парциальном давлении кислорода. Различают микроаэрофильные аэробы (например, гонококки), которые лучше культивируются при уменьшенном содержании О2 (около 5%), и микроаэрофильные анаэробы, которые способны расти в анаэробных и микроаэрофильных условиях, но не культивируются в обычной воздушной среде или в СО2.
Выделяют также капнофильные микроорганизмы. Они представляют собой бактерии, растущие в присутствии повышенных концентраций углекислого газа (3-5%). К ним относятся бактероиды, фузобактерии, гемофильные бактерии и др.
Методы культивирования строгих анаэробов:
1) Посев уколом в высокий столбик сахарного агара, который сверху заливается слоем вазелинового масла.
2) Посев на среду Китта-Тароцци (МПБ, глюкоза, кусочки печени или мяса в качестве редуцирующих веществ, сверху среда залита слоем вазелинового масла).
3) Удаление воздуха из среды механическим путем. Используют анаэростаты, из которых выкачивается воздух.
4) Замена воздуха другим индифферентным газом, например азотом, аргоном, водородом.
5) Механическая защита от кислорода воздуха (метод Виньяль-Вейона). Берут стеклянную трубку, один конец которой вытягивают в капилляр, расплавляют агар, в него засевают культуру и затем насасывают агар в стерилизованную трубку, затем капилляр запаивают и трубку помещают в термостат. В среде вырастают колонии, которые можно извлечь, распилив трубку.
6) Химическое поглощение кислорода воздуха, например щелочным раствором пирогаллола.
7) Биологический метод – комбинированный посев культур анаэробов и аэробов. Посев производят на чашку с толстым слоем кровяного агара с глюкозой, разделенную пополам небольшой дорожкой, вырезанной посередине чашки прокаленным скальпелем. На одной половине чашки делают посев культуры аэробов, а на другой – анаэробов. Края чашки смазывают парафином для герметизации и помещают в термостат. Сначала происходит рост аэробов, когда они исчерпывают из чашки кислород, начинается рост анаэробов.
