Обмен веществ и энергии (метаболизм)

Оглавление

Введение	4
Физиология бактерий. Обмен веществ и энергии	4
Энергетический метаболизм	8
Типы биологического окисления	9
Рост микроорганизмов	11
Питательные среды и их характеристика	14
Классификация питательных сред	14
Культуральные свойства бактерий	19
Характер роста на жидких и плотных питательных средах	20
Выделение чистой культуры аэробных бактерий	22
Методы культивирования анаэробных бактерий	26
– физический метод	27
– химический метод	27
– биологический метод	28
Выделение чистой культуры анаэробных бактерий	28
Биохимические свойства бактерий	29
Пигментообразование	32
Ситуационные задачи	34
Вопросы для самоконтроля	36
Основная Литература	37

 

 

Введение

Цель – освоение студентами раздела «Физиология бактерий».

 

Задачи: изучить метаболизм бактерий; условия культивирования бактерий, классификацию питательных сред, а также методы изучения биохимических свойств бактерий.

 

Знания, умения и навыки, полученные студентами при изучении данного раздела, направлены на формирование общепрофессиональной компетенции:

ОПК–7 ( готовностью к использованию основных физико-химических, математических и иных естественнонаучных понятий, и методов при решении профессиональных задач ).

 

В результате освоения ОПК–7 обучающийся должен:

Знать: классификацию и биологические свойства возбудителей инфекционных заболеваний.

Уметь: проводить выделение и идентификациювозбудителей инфекционных заболеваний.  

   Владеть: методамикультивирования и идентификации возбудителей инфекционных заболеваний.

Физиология бактерий

Обмен веществ и энергии (метаболизм).

Для роста и размножения микроорганизмы нуждаются в веществах, используемых для построения структурных компонентов клетки и получения энергии. В основе жизнедеятельности микроорганизмов лежит непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой (метаболизм) (рисунок 1).

Обмен веществ и энергии в клетке – называется метаболизмом. Метаболизм (от лат. metabole – изменение, превращение) – совокупность всех химических превращений в клетке, имеет две составляющие:

– анаболизм (от греч. anabole – подъем) (конструктивный (пластический) метаболизм, ассимиляция) – биосинтез макромолекул из простых низкомолекулярных соединений и их ассимиляция (усвоение, накопление);

– катаболизм (энергетический метаболизм, диссимиляция) – химический ферментативный процесс разрушения высокомолекулярных веществ до мономеров, направленный на получение энергии и ее запасов в форме АТФ (рисунок 1).

Метаболизм у прокариотов принципиально протекает так же как у высших животных и растений.

Для осуществления нормальной жизнедеятельности бактериям необходимо постоянно и тщательно регулировать обмен различных веществ между клеткой и внешней средой. Цитоплазматическая мембрана бактерий проницаема для многих веществ, поток их идет в обоих направлениях. Мембрана обладает избирательной и неравномерной проницаемостью, определяющей механизмы питания бактерий. Питательные вещества поглощаются бактериальной клеткой в молекулярной форме и поступают в нее тремя основными путями: пассивной диффузией, облегченной диффузией и пассивным транспортом (таблица 1).

 

Пассивная диффузия осуществляется за счет различного содержания питательных веществ в среде и в клетке и происходит в направлении от большей концентрации к меньшей (по градиенту концентрации). Пассивная диффузия не требует затрат энергии. Таким путем в клетку проникает и покидает её вода вместе с растворенными в ней различными мелкими молекулами, способными проходить через поры мембраны.

Рис. 1.  Метаболический процесс

 

Облегченная диффузия характеризуется выраженной субстратной специфичностью и протекает с участием специфичных белков – пермиаз, локализованных в мембране. Пермиазы распознают и связывают молекулу субстрата на внешней стороне мембраны и осуществляют ее перенос через мембрану. На внутренней стороне мембраны комплекс пермиаза – субстрат диссоциирует, освободившаяся молекула субстрата включается в общий метаболизм клетки, а пермиаза вновь готова повторить цикл переноса своего субстрата. Облегченная диффузия происходит только по градиенту концентрации, поэтому она не требует затраты энергии.

Активный транспорт осуществляется специфическими пермиазами против градиента концентрации, поэтому он требует затраты энергии. Большинство веществ проникает в клетку именно этим путем. В процессе переноса может происходить химическая модификация веществ – например, фосфорилирование углеводов. Так при участии фосфотрансферазной системы транспортируются многие сахара и их производные, в процессе переноса они фосфорилируются и поступают в клетку в виде сахарофосфатов.

 

Особенности метаболизма у прокариотов:

–  бактерии разнообразны по своим пищевым потребностям. Одно и то же соединение для одних бактерий может быть продуктом питания, а для другого – ядовитым веществом. Известны бактерии, способные усваивать фенол, парафин, уксусную кислоту, антибиотики;

–  способность включать в обмен веществ любые органические и неорганические соединения;

–  высокая интенсивность метаболизма;

–  высокая адаптационная способность к меняющимся условиям окружающей среды;

–  многообразие путей метаболизма, промежуточных и конечных продуктов;

–  возможность искусственного культивирования многих микроорганизмов в бесклеточных средах;

–  несовершенство регуляции метаболических процессов.

Риккетсии   – облигатные внутриклеточные паразиты (не способны синтезировать некоторые макромолекулы).

Хламидии – облигатные внутриклеточные паразиты (не способны синтезировать некоторые макромолекулы) и энергетические паразиты (не способны синтезировать АТФ).

Микоплазмы –мембранные паразиты (не способны синтезировать стерины для ЦПМ).

Изучение процессов метаболизма у микроорганизмов необходимо для понимания механизмов патогенеза заболеваний, для идентификации микроорганизмов и этиологической диагностики заболеваний, для проведения химиотерапии, а также для получения необходимых для человека материалов с использованием биотехнологии.

В качестве питательных веществ бактерии используют различные органические и минеральные соединения. К числу важнейших химических элементов, необходимых для синтеза органических соединений, относят: углерод, азот, водород и кислород. Свою потребность в водороде и воде бактерии удовлетворяют через воду.

 

Таблица 1. Способы проникновения питательных веществ через ЦПМ в

Бактериальную клетку

Процесс	Природа транспорта	Примеры	Описание (характеристика)	Характерные особенности
Пассивный	Затрат энергии не требуется. Вещества поступают по градиенту концентрации и движутся из области с повышенной концентраци- ей в область с пониженной концентра– цией по градиенту.	Диффузия	Фундаментальное свойство атомов и молекул, которые находятся в беспрерывном беспорядочном движении	Неспецифичес- кое броуновское движение
		Осмос	Диффузия молекул воды через мембрану позволяет свободно перемещаться воде, но не другим молекулам	Направление зависит от осмомолярности клетки
		Облегчен- ная диффузия	Молекулы связываются с мембранными рецепторами и транспортируются на другую сторону	Специфические молекулы, транспорт в обе стороны
Активный	Требуются затраты энергии. Молекулы транспортируются вне зависимости от градиента. Скорость транспорта увеличивается Транспорт может осуществлять- ся против градиента концентрации.	Активный транспорт	Атомы и молекулы поступают в клетку и из нее через специализированные рецепторы. Требует затрат АТФ.	Транспорт простых сахаров, аминокислот, неорганических ионов (Na+, K+)
		Транслока – ция групп	Молекулы движутся через мембрану и одновременно модифицируются	Альтернативная система для транспорта питательных веществ (сахаров, аминокислот)
		Основной транспорт	Транспорт больших частиц, клеток и жидкостей путем поглощения и образования везикул	Включает эндоцитоз, экзоцитоз, пиноцитоз

 

По способу углеродного питания бактерии делят на две группы – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от греч. auto – сам, trophe – питание). Буквальный перевод «сам питаюсь». Организмы извлекают углерод из простых неорганических соединений (обычно из СО₂ или карбонатов), не нуждаются в органических соединениях и энергии. Среди автотрофов нет патогенных для человека микроорганизмов.

Гетеротрофы (от греч. heteros – другой, trophe – питание, т.е. «питающиеся за счет других») организмы, которые не могут удовлетворять свои потребности в углероде только за счет СО₂, а требуют для своего питания готовые органические соединения. В свою очередь гетеротрофы делят на сапрофиты и паразиты.

Гетеротрофов делят на:

–  сапрофиты (лат. sapros – гнилой, phyton – растение) (гнилостные бактерии, грибы, дрожжи), усваивающие углерод из мертвых органических соединений; широко распространены в почве, играют ведущую роль при разложении органических останков; являются сапрофитами.

–  паразиты (лат. para – при, situs –пища) усваивающие углерод в условиях живого организма, являются   паразитами, среди которых различают облигатных паразитов (риккетсии, хламидии, вирусы), живущих только в живой клетке, и факультативных (большинство патогенных бактерий), которых можно выращивать на искусственных питательных средах.

 

   Для синтеза органических соединений бактериям необходима энергия. В зависимости от источника энергии бактерии подразделяются на фототрофы и хемотрофы.

  Фототрофы – способны использовать энергию солнечного света, это исключительно сапрофитные микроорганизмы. К фотосинтезирующим бактериям – фототрофам – относят цианобактерии (сине-зеленые водоросли), пурпурные и зеленые бактерии и архебактерии.

  Хемотрофы – организмы, получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций.

  В зависимости от того, какими донорами электронов пользуются бактерии, их разделяют на литотрофы и органотрофы.

  Литотрофы – организмы, использующие неорганические доноры электронов Н₂, NH₂, H₂S, Fe и др.

  Органотрофы – организмы, в качестве доноров электронов использующие органические соединения.

 

  Таким образом, по способу углеродного питания все организмы можно подразделить на три основные группы:

   1.Фотолитотрофы – организмы, источником энергии для которых служит солнечный свет, донорами электронов – неорганические соединения.

  2.Хемолитотрофы – организмы, получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций, донорами электронов которых служат неорганические соединения. К данной группе относятся сапрофитные бактерии.

  3.Хемоорганотрофы – организмы, получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций, донорами электронов которых служат органические соединения. Большинство патогенных бактерий относятся к данной группе.

 

  По способу азотного питания бактерии подразделяют на аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.

  Аминоавтотрофы – организмы, способные полностью удовлетворять свои потребности в азоте, необходимом главным образом для синтеза белков и нуклеиновых кислот, с помощью атмосферного или минерального азота. К их числу относят азотфиксирующие бактерии, свободно живущие в почве и нитрофицирующие бактерии, которые в качестве основного источника азота используют соли аммиака, азотистой и азотной кислот.

  Аминогетеротрофы – организмы, для роста и размножения нуждающиеся в различных органических азотистых соединениях.

  Для нормальной жизнедеятельности бактерии, кроме того, нуждаются в ионах Na+, K+, Cl+, Ca₂+, Mg₂+, Mn₂+, Fe₂+, Cu₂+, а также в фосфоре и сере, поступающих в клетку путем диффузии и активного транспорта.