Метаболизм (обмен веществ) микроорганизмов
ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
ЛЕКЦИЯ № 2.
ТЕМА:«ФИЗИОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ»
План лекции:
Химический состав микробной клетки.
Метаболизм микроорганизмов.
Дыхание микроорганизмов биологическое окисление (энергетический метаболизм).
Основные группы микроорганизмов: прокариоты, эукариоты. Их отличительные признаки.
Дыхание микроорганизмов биологическое окисление (энергетический метаболизм).
6. Организация генетического материала у бактерий. Генотип и фенотип
7.Изменчивость микроорганизмов
8.Генетические рекомбинации
5.Практическое значение учения о генетике микробов
6.Генетическая инженерия
Понятие о микроорганизмах
Часть 1Физиология микроорганизмов
Химический состав микробной клетки
Для понимания процессов обмена веществ, происходящих в микробных клетках, необходимо знать химический состав микроорганизмов.
Бактерии, спирохеты, микоплазмы, актиномицеты, риккетсии, хламидии, несовершенные и дрожжеподобные грибы, простейшие содержат те же химические вещества, что и клетки всех живых организмов.
В наибольшем количестве в клетках содержатся углерод, азот, водород и кислород. Их называют важнейшими элементами – органогенами и они используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов, липидов.
Вода. Значительную часть клетки составляет вода - от 70 до 85-90% от общей массы. Вода служит средой, в которой протекают разнообразные химические процессы микробной клетки. В ней растворяются кристаллоиды, диссоциируют электролиты, формируются коллоиды. Кроме того, сама вода как химический компонент, непосредственно участвует в реакциях гидролиза белков, углеводов и липоидов. Количество воды в клетке постоянно, и это постоянство регулируется цитоплазматической мембраной. Удаление воды из клетки путем высушивания приводит к приостановке процессов метаболизма, прекращению размножения. Высушивание микроорганизмов в вакууме из замороженного состояния (лиофилизация) прекращает размножение микробов и способствует длительному их сохранению.
|
|
|
Содержание свободной воды в клетке может изменяеться в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и т.п. Так, в спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках, ввиду низкого содержания в них свободной воды.
Состав сухого вещества Сухой остаток микробной клетки составляет от 15% до 30%.распределен следующим образом:52 % составляют белки, 17 % — углеводы, 9 % - липиды, 16 % - РНК, 3 % - ДНК и 3 % — минеральные вещества.
|
|
|
Белки - это простые белки - протеины и сложные белки - протеиды. 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.
Белки входят в состав пептидогликана- биополимера, составляющего основу бактериальной клеточной стенки.
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.
Аминокислотный состав белков характерен для различных видов микроорганизмов. Белки входят в состав ферментов. Белками являются экзотоксины, с которыми связана патогенность целого ряда микробов; белками являются многие антигены, с ними связана специфичность микробов.
|
|
|
Нуклеиновые кислотыявляются важнейшими компонентами микробов. В ДНК зашифрована вся наследственная информация клетки (может находиться в ядерном аппарате (хромосомная ДНК) или в цитоплазме в специализированных образованиях-плазмидах- плазмидная (внехромосомная) ДНК), а РНК(рибонуклеиновая кислота) участвует в процессах считывания информации, передачи се на рибосомы и синтеза в них белка - соответственно: матричная РНК (мРНК), рибосомальная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК).
Молекула ДНК(дезоксирибонуклеиновая кислота) построена из двух полинуклеотидных цепочек. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфатной группы. Азотистые основания представлены пуринами(аденин, гуанин) и пиримидинами (тимин, цитозин). Установлено, что состав нуклеотидов ДНК, а именно соотношения гуанин + цитозин/аденин + тимин является стабильным признаком. Поэтому его можно использовать для определения таксономического положения бактерий. Например, у стафилококков процентное содержание Г+Ц-28%-39%, а у сходных с ними микрококков Г+Ц=65%-83%, следовательно, они принадлежат к разным родам.
Углеводы входят в состав различных мембран клеток микроорганизмов. Они используются для синтеза различных веществ в клетке и в качестве энергетического материала. Углеводы входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной для грамположительных бактерий.
|
|
|
Углеводы могут откладываться в клетке в виде запасных питательных веществ. В клетках большинства бактерий углеводы составляют 10-30% сухого вещества, у грибов – 40-60%. Но количество углеводов в клетке непостоянно даже у одной и той же бактерии и зависит не только от рода и вида, но и от условий развития микробов.
Бактерии содержат моносахариды, дисахариды, полисахариды. В теле микроорганизмов углеводы встречаются преимущественно в виде полисахаридов – гликогена, гранулезы (углевод, близкий к крахмалу), декстрина, клетчатки или близких ей соединений. У некоторых бактерий полисахаридный антиген настолько специфичен, что позволяет разграничить отдельные типы внутри вида. Например, капсульный антиген пневмококков, поверхностный С-антиген стрептококков. Полисахариды находятся и в связанном состоянии с белками, липидами.
Липиды у бактерий, не содержащих жировые вещества в виде включений, составляют около 10% сухого остатка. У бактерий, имеющих особые жировые включения, например, у микобактерий туберкулеза, количество липидов достигает 40%, что обеспечивает этим бактериям устойчивость к кислотам, щелочам, спиртам. Лишь у некоторых дрожжей и плесеней количество липидов может быть значительно выше – до 60 %.В состав липидов входят нейтральные жиры, фосфолипиды и свободные жирные кислоты. Фосфолипиды являются составной частью цитоплазматической мембраны, принимают участие в транспорте веществ. Липиды также откладываются в виде запасных гранул.
Липиды входят в состав липополисахарида клеточной стенки грамотрицательных бактерий - это их эндотоксин и О-антиген.ЛПС выполняет две основные функции- определяет антигенную специфичность и является одним из основных факторов патогенности. Это- эндотоксин, токсические свойства которого проявляются преимущественно при разрушении бактериальных клеток. Его токсичность определяется липидом А. ЛПС запускает синтез более 20 биологически активных веществ, определяющих патогенез эндотоксикоза, обладает пирогенным действием.
Минеральные веществаобнаруживаются в золе, полученной после сжигания клеток.Минеральные вещества микроорганизмов разнообразны, количество и состав их зависит от вида микробов и состава питательной среды. Основные элементы, необходимые для жизнедеятельности клетки –азот, натрий, калий, фосфор, кальций, магний, железо, медь, сера, хлор, кремний.
Азот входит в состав белков, нуклеотидов, коферментов. Сера входит в виде сульфгид-рильных групп в структуру белков. Фосфор в виде фосфатов представлен в нуклеиновых кислотах, АТФ, коферментах. В качестве активаторов ферментов используются ионы Mg, Fe, Mn. Ионы К и Mg необходимы для активации рибосом. Са является составной частью клеточной стенки грамположительных бактерий. У многих бактерий имеются сидерохро-мы, которые обеспечивают транспортировку ионов Fe внутрь клетки в виде растворимых комплексных соединений.
Фосфор входит в состав аденозинтрифосфорной кислоты, которая является своеобразным аккумулятором энергии. Ионы металлов участвуют в поддержании постоянства осмотического давления, реакции среды (рН) в клетке.
Минеральные соединения играют большую роль в регуляции внутриклеточного осмотического давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.
Пигменты, или красящие вещества, у некоторых микроорганизмов составляют значительную долю сухого вещества клетки. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов, а иногда выделяются в окружающую среду.
Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты типа хлорофилла растений – бактериохлорофилл, который отличается по строению от хлорофилла растений. Известно четыре типа бактериохлорофилл: а, b, с, d.
Фототрофные микроорганизмы и некоторые дрожжи образуют, кроме того, пигменты каротиноиды. Каротиноиды, как и бактериохлорофилл, участвуют в ассимиляции углекислого газа.
У некоторых дрожжей в значительных количествах образуются желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые являются провитаминами витамина А. Производство таких дрожжей перспективно для получения белково-витаминных кормовых продуктов.
Метаболизм (обмен веществ) микроорганизмов
Метаболизм – совокупность разнообразных ферментативных реакций, происходящих в микробной клетке и направленных на получение энергии и превращение простых химических соединений в более сложные.Промежуточные или конечные продукты, образующиеся в соответствующей последовательности ферментативных реакций, в результате которых разрушается или синтезируется скелет конкретной биомолекулы, называют метаболитами.
В процессе метаболизма выделяют два вида обмена:
1) пластический (конструктивный):
а) анаболизм (с затратами энергии);
б) катаболизм (с выделением энергии);
2) энергетический обмен (протекает в дыхательныхмезосомах):
а) дыхание;
б) брожение.
Анаболизм- синтез компонентов клетки (конструктивный обмен). Катаболизм- энергетический обмен, связан с окислительно- восстановительными реакциями, расщеплением глюкозы и других органических соединений, синтезом АТФ. Питательные вещества могут поступать в клетку в растворимом виде (это характерно для прокариот)- осмотрофы, или в виде отдельных частиц-фаготрофы.
Известны несколько способов питания живых существ:
• Голозойный способ - живой организм захватывает или заглатывает плотные частицы пищи, которые затем перевариваются в пищеварительном тракте. Этот способ питания характерен для животных.
• Голофитный способ - живые существа используют питательные вещества всасывая их всей поверхностью тела в виде относительно небольших молекул из водного раствора. Этот способ питания характерен для микроорганизмов и растений.
Для микроорганизмов характерновнеклеточное или внешнее питание. Чтобы проникнуть в клетку питательные вещества должны находиться в растворенном состоянии и иметь соответствующий размер молекул. Большинство органических соединений не могут бытьпоглощены и использованы в обмене веществ клеткой микроорганизмов. Микроорганизмы в ответ на присутствие этого вещества в среде (индуктора) синтезируют и выделяют в среду соответствующий индуцибельный фермент (экзофермент), который расщепляет макромолекулу полимера на мономеры, а последние поглощаются клеткой. Кроме того, эукариотные микроорганизмы могут захватывать высокомолекулярные соединения (явления пиноцитоза и фагоцитоза), которые в клетках расщепляются с помощью гидролитических ферментов или используются как строительные блоки в конструктивном обмене (синтез клеточных компонентов).
Особенности метаболизма у бактерий:
1) Быстрота и интенсивность обменных процессов. За сутки микробная клетка может переработать такое количество питательных веществ, которое превышает ее собственный вес в 30-40 раз.
2) многообразие используемых субстратов;
3) Выраженная приспособляемость к изменяющимся условиям внешней среды.
4) направленность всех процессов метаболизма на обеспечение процессов размножения;
5) преобладание процессов распада над процессами синтеза;
6) наличие экзо– и эндоферментов метаболизма.
Для роста и жизнедеятельности микроорганизмов обязательно наличие в среде обитания питательных материалов для построения компонентов клетки и источники энергии. Для микробов необходимы вода, источники углерода, кислорода, азота, водорода, фосфора, калия, натрия и других элементов. Требуются также микроэлементы: железо, марганец, цинк, медь для синтеза ферментов. Различные виды микробов нуждаются в тех или иных факторах роста, таких, как витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания Микроорганизмы не имеют специальных органов питания. Поступление питательных веществ и воды в клетку и выделение продуктов обмена во внешнюю среду происходит через всю поверхность клеток.
Основные химические элементы- органогены, необходимые для синтеза органичеких соединений- углерод, азот, водород, кислород.
Требования большинства микроорганизмов к источникам питания разнообразны, однако,в зависимости от способности усваивать органические или неорганические источники углерода и азота микроорганизмы делятся на две группы - аутотрофов и гетеротрофов.
Аутотрофы (греч. autos - сам, trophic - питающийся) получают углерод из углекислоты (СО2) или ее солей,восстанавливая его водородом, отщепленным от воды или другого органического вещества.
В зависимости от источника энергии микроорганизмы делят на фототрофы (энергию получают за счет фотосинтеза- например, цианобактерии, некоторые пигментные бактерии, например зеленые и пурпурные серобактерии,) и хемотрофы (энергия добывается за счет химических, окислительно- восстановительных реакций). К ним относятся бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотистую кислоту (нитрифицирующие бактерии), сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии).
По донору водорода автотрофы делятся на:
- литотрофы используют неорганические соединения в качестве донора водорода
- органотрофы используют органические соединения в качестве донора водорода
Гетеротрофы (греч. heteros - другой, trophic - питающийся)Гетеротрофы получают необходимую энергию и углерод из органических соединений, окисляя их. Они используют сложные органические соединения, такие как углеводы, спирты, аминокислоты, органические кислоты
Независимо от типов питания микроорганизмы делятся на: ауксотрофы и прототрофы.
Ауксотрофы нуждаются в факторах роста: витамины, пуриновые и пиримидиновые основания, аминокислоты. Это не катализаторы роста. Потребность в них не является постоянной, связана с нарушением биосинтетических процессов некоторых ферментных систем (молочнокислые бактерии, нуждаются в витаминах группы В).Факторы роста микробов. В 1901 г. Вильдье в дрожжах нашел особое вещество, названное им «биос» — ростовое вещество. В 1904 г. наш соотечественник Никитинский установил такие же стимуляторы роста в культурах плесневых грибов. В дальнейшем подобные вещества были выявлены у патогенных микроорганизмов и простейших. Одновременно было установлено, что у ряда микробов под воздействием ничтожно малых количеств ростовых веществ увеличивается накопление микробной массы и изменяется обмен веществ. Новейшие данные показали, что по химической структуре и физиологическому действию стимуляторы являются подлинными витаминами или витаминоподобными веществами.
Все изученные бактерии нуждаются в витаминах или ростовых веществах, которые играют главным образом роль катализаторов (ускорителей) биохимических процессов бактерийной клетки. Они же являются структурными единицами при образовании некоторых ферментов. Какие же витамины необходимы микробам? К витаминам, необходимым для развития микробов, относят биотип (витамин Н), витамины группы В: витамин B1 (тиамин), В2 (рибофлавин), В3 (пантотеновая кислота), В4 (холин), В5 (никотинамид), Вб (пиридоксин), В7 (гемин), — витамин К и др.
Концентрация витаминов в питательной среде выражается в микрограммах (мкг), потребность в них колеблется в пределах 0,05—40 мкг/мл. Избыток витаминов задерживает рост бактерий.
Кроме витаминов, к факторам роста бактерий относятся пуриновые и пиримидиновыс основания и их производные (аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил, ксантин и гипоксантин). Например, для гемолитического стрептококка фактором роста является аденин, для золотистого стафилококка — урацил, возбудителя столбняка — аденин или гипоксантин.
Прототрофы не нуждаются в факторах роста͵ они сами их синтезируют (дрожжи синтезируют витамины группы В).
Для микроорганизмов недостаточно деления на автотрофы и гетеротрофы. Для характеристики типа питания учитывают все критерии и выделяют 8 типов питания, каждому из которых соответствует определенная группа микроорганизмов, более или менее многочисленная.
Хемоорганогетеротрофы – наиболее многочисленная группа микроорганизмов, среди нихразличают сапрофитов (греч. sapros - гнилой, phyton - растение) и паразитов.
- сапрофиты (от греч. sapros – гнилой, phyton – растение) - они живут за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождения. К ним относятся все те микробы, которые разлагают органические вещества в природе (в почве, воде), вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья;
- паразиты- они способны развиваться только в теле других организмов, питаясь органическими веществами, входящими в состав последних. К паразитам принадлежат возбудители заболеваний человека, животных и растений.
Микробы могут изменять свой тип питания с паразитического на сапрофитный. Их можно культивировать вне организма, на питательных средах. Среди прокариотов исключение составляют риккетсии и хламидии, которые могут жить только в живых клетках хозяина. Их называют строгими, или облигатными паразитами (лат. obligatus - обязательный). Облигатными паразитами являются также все вирусы.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 9570; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!