 |
Типы и механизмы питания и дыхания бактерий. Ферменты бактерий и их классификация. Значение изучения ферментативной активности для идентификации бактерий.
|
|
|
|
Для питания бактерии используют самые разнообразные неорганические и органические соединения, что определяет широту их распространения в природе и огромное разнообразие типов питания. Разнообразие типов питания у бактерий определяет их огромное значение в осуществлении круговорота различных элементов в природе
Бактерии нуждаются в таких элементах, как кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, калий и др. Источниками водорода и кислорода являются вода и кислород воздуха у аэробных микробов.
По источнику углерода бактерии делят на:
- автотрофы – источником является СО2;
- гетеротрофы – источниками являются различные органические соединения (глюкоза, спирты, аминокислоты, органические кислоты);
По источнику энергии:
- фототрофы – используют энергию солнечного света;
- хемотрофы – используют энергию химических реакций окисления неорганических и органических соединений.
По донору Н2 (е):
- литотрофы – донором являются неорганические соединения (Н2О, H2S);
- органотрофы – донором являются органические соединения (карбоновые кислоты, аминокислоты, глюкоза и т.д.).
По источнику азота:
- аминоавтотрофы – источником является атмосферный азот, аммонийные соли, нитраты, нитриты;
- аминогетеротрофы – источником являются белки (органические вещества).
Фотоавтотрофы – это фотосинтезирующие бактерии, использующие энергию солнечного света для синтеза органических соединений из неорганических соединений.
Хемоавтоторофы синтезируют органические вещества из СО2 за счет энергии реакций окисления неорганических соединений. К ним относятся нитрифицирующие бактерии (NH3 HNO3), серобактерии (H2S S; H2SO4), железобактерии (Fe2+ Fe3+).
|
|
|
Хемо(органо)гетеротрофы для синтеза собственных органических соединений используют энергию окисления других органических веществ, которые являются одновременно и источниками углерода. К ним относится большинство бактерий:
а) сапрофиты, использующие органические вещества отмерших организмов (бактерии брожения и бактерии гниения);
б) симбионты, использующие органические вещества других живых организмов, не нанося им вреда (образуют симбиоз);
в) паразиты, использующие органические вещества живых организмов, нанося им вред. Паразиты бывают облигатные (способны жить и расти только внутри живой клетки) и факультативные (после гибели хозяина питаются сапрофитно).
Микроорганизмы, способные синтезировать все соединения из глюкозы и солей аммония называются прототрофами.
Микроорганизмы, которые не способны синтезировать все соединения, называются ауксотрофами (многие патогенные бактерии).
Вещества, которые микроорганизмы не способны синтезировать, называются факторами роста. Они должны поступать в клетку в готовом виде. Это аминокислоты, витамины В5, В2, В1, В3, В6, фолиевая кислота, парааминобензойная кислота (ПАБК).
Особенность питания бактерий - поглощение веществ из среды всей поверхностью тела.
Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы (до 600), Н2О, ионы. Цитоплазматическая мембрана обладает избирательной проницаемостью. Мембрана является основным регулятором поступления веществ в клетку.
Механизмы транспорта через мембрану:
а) простая диффузия – вещества транспортируются без затраты энергии по направлению меньшей концентрации;
б) облегченная диффузия – происходит при большей концентрации веществ вне клетки при участии транспортных белков - пермеаз;
в) активный транспорт – осуществляется против разницы концентрации с затратой энергии при помощи транспортных белков;
|
|
|
г) транслокация химических групп – в процессе переноса через мембрану молекула вещества химически изменяется.
Дыхание бактерий.
Дыхание (биологическое окисление) – окислительно-восстановительные реакции, идущие с выделением энергии и образованием АТФ. Субстраты дыхания: глюкоза, аминокислоты, спирты и др.
Аэробное дыхание – участвует кислород.
Анаэробное дыхание – без участия кислорода.
При аэробном расщеплении выделяется значительно больше энергии, т.е. оно энергетически более выгодно, чем анаэробное расщепление.
Брожение – неполное окисление в анаэробных условиях.
Продуктами брожения могут быть этиловый спирт, молочная, масляная, уксусная, пропионовая кислоты. Различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, маслянокислое, пропионовокислое и другие виды брожения.
По типу дыхания бактерии делят на 3 группы:
1.Облигатные аэробы - бактерии, которые могут расти только при наличии кислорода. К ним относятся бруцеллы, микрококки, микобактерии туберкулеза (для роста необходимо около 20% кислорода).
2. Облигатные анаэробы - бактерии, которые растут только при отсутствии кислорода (в анаэробных условиях). Для облигатных анаэробов кислород токсичен, т.к. у них отсутствуют ферменты (каталаза, супероксиддисмутаза), нейтрализующие перекисные радикалы кислорода. К облигатным анаэробам относятся возбудители ботулизма, газовой гангрены, столбняка. Для них характерно сульфатное дыхание, при котором акцептором водорода являются сульфаты, восстанавливающиеся до H2S. При выращивании таких бактерий необходимо создавать анаэробные условия.
3. Факультативные анаэробы - бактерии, которые могут расти как при наличии, так и отсутствии кислорода, т.к. они способны переключаться с анаэробного дыхания на аэробное дыхание. К ним относится большинство патогенных и сапрофитных бактерий (E. coli и др.). Для них характерно нитратное дыхание, при котором акцептором водорода являются нитраты, восстанавливающиеся до N2 и NH3.
Ферменты бактерий.
Ферменты – это биологические катализаторы (повышают скорость химических реакций). По химической природе они являются белками.
Как и ферменты других организмов, бактериальные ферменты делят на 6 классов в соответствии с типом катализируемых реакций:
|
|
|
- 1 класс – оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции;
- 2 класс – трансферазы – катализируют реакции переноса различных групп от одних соединений к другим;
- 3 класс – гидролазы – катализируют реакции расщепления веществ на более простые соединения с участием воды;
- 4 класс – лиазы – катализируют реакции отщепления (или присоединения) от субстратов различных химических групп негидролитическим путем;
- 5 класс – изомеразы – катализируют реакции изомеризации, т.е. превращения органических веществ в их изомеры;
- 6 класс – лигазы – катализируют реакции синтеза сложных соединений из более простых соединений.
Ферменты бактерий делят на экзо- и эндоферменты.
Эндоферменты катализируют процессы внутри клетки. Экзоферменты выделяются бактериями в окружающую среду. Это ферменты: а) пищеварительные ферменты, которые расщепляют сложные питательные вещества до простых веществ; б) защитные ферменты, например, пенициллиназа защищает клеточную стенку от действия антибиотика пенициллина; в) ферменты агрессии – факторы вирулентности патогенных бактерий;
- гиалуронидаза – расщепляет гиалуроновую кислоту;
- дезоксирибонуклеаза – расщепляет ДНК клеток;
- фибринолизин – расщепляет коллаген;
- плазмокоагулаза – свертывает плазму крови;
- нейраминидаза – расщепляет нейраминовую кислоту;
- лецитовителлаза – расщепляет лецитин.
Методы изучения ферментативной активности бактерий.
Состав ферментов бактерий определяется геномом и поэтому характерен для тех или иных видов, т.е. является видовым признаком. Поэтому изучение ферментативных или биохимических свойств очень важно для дифференциации (отличия) и идентификации (определения вида) бактерий. Наиболее часто определяют ферменты класса гидролаз и оксидоредуктаз.
Среди ферментов оксидоредуктаз для идентификации микроорганизмов используют такие ферменты, как каталаза и цитохромоксидаза (ЦО).
Каталаза – фермент, расщепляющий Н2О2 с образованием водорода и кислорода. Обнаружить каталазу можно по пузырькам кислорода, которые начинают выделяться после смешивания микробных клеток с 1 % р-ром Н2О2.
|
|
|
Цитохромоксидазу обнаруживают так: смачивают реактивом бумажку и наносят суточную культуру микроорганизмов. Получается синее окрашивание.
Среди ферментов гидролаз изучаются ферменты, расщепляющие углеводы (или сахара) и ферменты, расщепляющие белки (или протеины). Способность бактерий расщеплять углеводы называется сахаролитическими свойствами, а способность расщеплять белки - протеолитическими свойствами.
Эти свойства выявляются по конечным продуктам расщепления после посева на определенные среды.. При распаде сахаров определяют образование кислот (молочной, уксусной, муравьиной) и газов (СО2 или Н2), а при распаде белков - образование щелочей, H2S, NH3.
Совокупность сахаролитических, протеолитических и других ферментативных свойств бактерий называется биохимическими свойствами бактерий.
Изучение сахаролитических свойств.
Для определения сахаролитических свойств используются среды: плотные среды Эндо, Левина и Плоскирева, а также жидкие и полужидкие среды Гисса.
Среды Эндо, Левина, Плоскирева содержат лактозу и определенный индикатор.
Эти среды позволяют отличить патогенные бактерии от кишечной палочки - E. coli. E. coli способна расщеплять лактозу, т.к. имеет фермент галактозидазу. При расщеплении лактозы образуются кислые продукты, которые изменяют цвет индикатора. Поэтому E. coli образует на средах окрашенные колонии: на среде Эндо - красные колонии с металлическим блеском; на среде Левина – темно-синие колонии; на среде Плоскирева – красные колонии. Сальмонеллы и шигеллы не имеют фермента галактозидазу, они не расщепляют лактозу, и цвет среды не изменяется. Поэтому сальмонеллы и шигеллы образуют на средах Эндо, Левина и Плоскирева бесцветные колонии.
Таким образом, на одной и той же среде наблюдается различный характер роста разных видов бактерий, т.к. они имеют различные ферменты. Это позволяет отличить один вид от другого.
Среды Гисса содержат лактозу, глюкозу, мальтозу, сахарозу и маннит и различные индикаторы. Если бактерии расщепляют углевод до образования кислых продуктов, наблюдается изменение цвета среды, а если до кислоты и газа – наблюдают появление газообразных продуктов.
Жидкие среды Гисса состоят из пептонной воды, 1 % углевода и индикатора Андреде (кислый фуксин, обесцвеченный щелочью). В среду опускается поплавок, который при стерилизации заполняется средой. Исходный цвет среды – соломенно-желтый. При расщеплении углевода цвет среды становится ярко-розовым (красным). Если образуется газ, он накапливается в поплавке. Если углевод не расщепляется, цвет среды не изменяется.
|
|
|
Полужидкие среды Гисса состоят из 0,2-0,5 % мясо-пептонного агара (МПА), 1 % углевода и индикатора ВР (водно-голубая краска и розоловая кислота). Исходный цвет среды - розовато-серый. При расщеплении углевода цвет среды становится голубым, а если образуется газ, наблюдаются разрывы в среде.
Определенный вид бактерий ферментирует не все, а только некоторые углеводы, поэтому в одних пробирках цвет изменяется, а в других – не изменяется, и получается "пестрый ряд". Каждый вид бактерий характеризуется своим "пестрым рядом".
Изучение протеолитических свойств.
Протеолитические свойства бактерий изучают:
а) по способности разжижать желатин: разные виды бактерий имеют разную форму разжижения желатина; S. aureus – в виде воронки; Bac. antracis – в виде опрокинутой елки; Vibrio cholerae – в виде гвоздя и т.д. Разжижают желатин бактерии, имеющие фермент - коллагеназа;
б) по конечным продуктам распада белков после посева на мясо-пептонный бульон (МПБ). Могут быть следующие конечные продукты: индол, Н2S, NH3.
Для обнаружения этих продуктов используют бумажки с индикаторами. Индикатор для индола - щавелевая кислота (бумажка окрашивается в розовый цвет). Для Н2S – ацетат свинца (черный цвет). Для NH3 – лакмусовая бумажка (синий цвет).
Дополнительно изучаются такие свойства, как восстановление нитратов в нитриты, бутандиоловое брожения на среде Кларка, расщепление крахмала и др.
|
|
|
