Физиология микроорганизмов

У бактерий реализуются основные функции живого –

-   Воспроизведение себе подобных индивид

-  Развитие.

 Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность, метаболизм бактерий, питание, энергию, рост, размножение бактерий и их взаимодействие с окружающей средой.

 Химический состав бактериальной клетки.

Бактерии имеют сложное строение. В них представлены и неорганические и органические соединения. Наряду с простыми веществами имеются сложные компоненты

  Вода(80-90% бактериальной массы, она может быть свободной и может быть связанная. Вода несет след. Функции –

1)       Растворитель всех веществ

2)       Вода – источник водородных и гидроксильных ионов

3)       Вода также является дисперсионной средой для протекания реакций в клетке

4)       Связанная вода придает большую связанность(резистентность) в спорах например к замерзанию и испарению)

v  Минеральные вещества – фосфор, медь, железо, калий, кальций, натрий.

1)       Входят в структуры клетки.

2)       Обеспечивают осмотическое давление

3)       Определяют активность фермента

v  Нуклеиновые кислоты представлены

1)       ДНК(двухцепочечные и несет хранение генетической информации) и

2)       РНК(одноцепочечная, представлена информационной, транспортой и рибосомальной и обеспечивает синтез специфического белка) Особенностью ДНК является что сумма оснований Г+Ц у позвоночных 40%, а у бактерий эта сумма варьирует у Гр(+) = 70-80%, а у Гр(-)=28-30%

v  Белки у бактерий представлены простыми белками протеинами и сложными соединениями – протеидами – сложное соединения белков. Белки составляют 50% сухого остатка и могут содержать необычные аминокислоты. Белки несут следующие функции –

1)       структурную

2)       образуют ферментные системы

3)       образуют двигательную систему

4)       гидрофильность бактерий(смачиваемость)

5)       тинкториальные свойства(особенности окраски)

6)       специфичность(антигенное свойство)

7)       токсичность

8)       электрический заряд бактерий, благодаря которому бактерии способны к электрофорезу, т.е. движению в электрическом поле

v  Углеводы – представлены моносахарами, дисахарами и полисахарами. Особенностью их является то, что часть углеводов встречается только у бактерий. У Гр(+) – тейхоловые кислоты. Углеводы играют важную роль –

1)       Пластический материал

2)       Один из основных источников энергии

3)       Специфичность

4)       Токсичность

v  Липиды – могут быть в виде свободных соединений и в комплексе с белками и углеводами. Липиды представлены нейтральными жирами, фосфолипидами и имеются сложные соединения липидов – воска. Воска – это жиро подобные соединения, состоящие из птиацерола(спирта), аминокислот и низшие жирные кислоты. Чем больше восков, тем более патогенная бактерия. Отличаются липиды наличием необычных соединений. У Гр(-) имеется липид А, имеются необычные фосфолипиды, например аминоацил производные. Липиды несут следующие функции –

1)       Структурная роль

2)       Предают прочность этим структурам

3)       Липиды определяют болезнетворность

4)       Играют энергетическую роль

5)       Определяют специфичность, с липидами связана устойчивость к антибиотикам и липиды определяют резистентность к кислотам

Питание бактерий – это поступление веществ в бактериальную клетку. Поступление веществ в бактериальную клетку контролирует цитоплазматическая мембрана. Она полупроницаема и обладает избирательной проницаемостью. Поступление веществ в клетку определяется следующими механизмами –

1. Простая(пассивная) диффузия. Она идет по градиенту концентрации, за счет их разницы. Так поступает вода, некоторые молекулы.
2. Облегченная диффузия – по градиенту концентрации, без затрат энергии – в ней участвуют белки переносчики пермиазы. Пермиазы на внешней стороне клетки соединяются с субстратом, переносят его в клетку, а там комплекс диссоциирует и субстрат освобождается.
3. Активный транспорт – против градиента концентрации. При этом затрачивается энергия. В нем участвуют связывающие белки, имеющие сродство с субстратом, присоединяют их фермиазы(белок).
4. Транслокация радикала – ферменты вызывают на поврености клетки модификацию молекул углевода. Происходит ее фосфолилирование. Затем она присоединяется к фермиазам, переносится и освобождается углевод в виде фосфата.

Механизмы выделения веществ из клетки.

Бактериальная клетка выделяет продукты метаболизма, ферменты, токсины. Эти вещества выделяются различными механизмами.

1. Прямой транспорт. Через мембрану перемещается белок-предшественник, который состоит из выделяемого вещества и сигнального пептида. На поверхности мембраны пептидазами пептид отрезается и выделяется то вещество, которое должно выйти из бактериальной клетки
2. Сигнальный транспорт – сигнальный пептид взаимодействует с рецепторами цитоплазматической мембраны, образуются канальцы, по которым вещества выделяются.

Классификация бактерий по способу питания

1. По источнику углерода

• Аутотрофы(сами питаются) – они используют углерод неорганических соединений, чаще всего CO2
• Гетеротрофы нуждаются в готовых органических соединениях. Гетеротрофы делятся на – сапрофиты(развиваются на мертвой органической материи) и – паразиты. Паразиты нуждаются в живой органической материи.

2. По источнику энергии 

• Фототрофы – используют энергию солнечного света
• Хемотрофы – используют энергию химических реакций.

3. По донору электронов

• Литотрофы – источник электронов – неорганические соединения
• Органотрофы – источник электронов – органические вещества

Стафилококк – хесоорагногетеротроф.

Питательные среды для бактерий. Используют для получения чистых культур

Питательные среды по происхождению бывают

• Естественные – человек, мясо, фрукты
• Искусственные – среды, полученные путем смешивания и обработки естественных сред

По составу питательные среды могут быть

• Простые – это среды, на которых растут большинство бактерий и которые являются основой для других сред. К простым средам относятся МПБ и МПА(мясо-пептоный бульон и агар) МПБ готовится из мясного бульона, обрабатывается ферментом пепсином. Образуется продукт неполного расщеплении белков - пептон, где до 70%свободных аминокислот)
• Сложные – содержат различные биологические добавки или сыворотки, химические соединения, антибиотики. По консистенции питательные среды могут быть жидкими, плотными и полужидкими. Уплотнителем питательных сред является агар-агар – полисахарид из водорослей, он не переваривается ферментами бактерий, уплотняется при температуре 36-40 градусов

По назначению питательные среды могут быть

1. Среды обогащения – это среды, на которых одни виды получают преимущество для развития. Например щелочной огар – возбудитель холеры.
2. Элективные среды – на них хорошо развиваются  определенные виды микроорганизмов, например для стаффилокока желточно – солевой агар в присутствии соли стафиллокок хорошо развивается.
3. Дифференциально-диагностические среды – это среды, на которых может отдифференцировать один вид микроорганизма, от другого. К этим средам относятся среды, на которых дифференцируются бактерии по ферментативным свойствам. Среды Гиса, Эндо, Пестреля

Среда Эндо – содержит МПА, 1% лактозы и индикатор фуксин, обесцвеченные фуксидом натрия, используется для дифференцировки бактерий кишечной группы по отношению к лактозе. Если лактоза расщепляется, образуется кислота, в которой фуксин в присутствии кислоты восстанавливается, образуются колонии красного цвета. Если лактоза не расщепляется то кислота не образуется, колонии бесцветные.

1.  Комбинирвоанные среды – среда Левина
2.  Консервирующие среды – предотвращают отмирание бактерий, например среды с глицерином

Параметры питательных сред.

1. Питательные среды должны иметь определенную концентрацию ионов водорода. Для большинства бактерий ph близкая к 7.

2. Питательная среда должна иметь воду и определенное осмотическое давление

3. В питательной среде должны быть источники углерода.

4. Питательная среда должна содержать серу и азот

5. Должен быть или его должно не быть Кислород.

6. Химические элементы. Обычно эти элементы добавляют в виде солей.

7. Питательная среда должна иметь оптимальную температуру. Температура создается в термостатах

8. По отношению к температуре бактерии подразделяются

 - тепофилы(оптимальная температура 40-80 градусов)

 - психофилы или криофилы(они развиваются при температуре ниже 20)

 - мезофиллы (20-42 градуса)

Питательная среда должна содержат факторы роста. Факторы роста – это вещества, которые вводят в бактериальную клетку, эти вещества бактерия сама не способна синтезировать. К таким факторам роста – пурины и пиримидины, витамины.

По потребностях в факторах роста бактерии делятся

1. Прототрофы – не нуждаются в факторах роста
2. Ауксотрофы – они нуждаются в факторах роста

9. Питательная среда должна быть более прозрачной

10. Питательная среда должна быть стерильной

Стерилизация – освобождение объекта от всех форм жизни.

Физические методы – высокая температура, ультразвук, давление, ионизирующие излучение.

Химические методы стерилизации – спирты, кислоты, фенолы, хлористые соединения. Химическим методом чаще всего проводится дезинфекция. Дезинфекция – уничтожение в окружающей среде инфекционных заболеваний.

Механическая стерилизация – фильтрование. Используются мембранные фильтры. Фильтр Зейца. Состоит из 2х частей. При фильтровании могут пройти вирусы.

Контроль стерилизации.

Методы контроля стерилизации –

1. Химические методы. Используют вещества с точкой плавления выше 100 градусов – сера(119 градусов)
2. Использование термопленки. Меняют цвет при достижении определенной температуры
3. Биологический. Параллельно стерилизуют тест культуру спорообразующую и если спора не прорастает то стерилизация эффективна.

Дыхание бактерий – это получение энергии – окислительно-востановительный процесс с образованием энергии, который накапливается в АТФ. При окислительно-восстановительном процессе электроны переносятся от донора к акцептору. При этом выделяется энергия, синтезируется АТФ, а перенос электронов осуществляют дыхательные ферменты, формирую дыхательную цепь.

У бактерий выделяют 2 механизма дыхания – аэробный механизм дыхания. Акцептором электронов является кислород.

Анаэробный механизм – акцептором электронов являются неорганические соединения(нитраты, сульфаты)

 В зависимости от характера дыхания проводится классификация бактерий по типу дыхания. Выделяют следующие типы бактерий

1. Облигатные – строгие аэробы. 21% кислорода в атмосферном воздухе. Примером могут быть – туберкулезная палочка, возбудитель холеры.

2. Облигатные анаэробы – они развиваются в безкислородных условиях. Облигатными аэробами могут быть возбудители столбняка, газовой гангрены.

3. Факультативные анаэробы или аэробы. Примером таких бактерий может быть кишечная палочка.

4. Микроаэрофилы – нуждаются в 1% кислорода – молочно-кислая бактерия.

5. Капнеические микроорганизмы – нуждаются в повышенной концентрации углекислого газа и в пониженной кислорода. Примером являются бруцеллы.

Рост и размножение бактерий.

Рост – это согласованное увеличение всех компонентов клетки. Результатом роста является размножение бактерий.

Размножение бактерий – увеличение числа бактерий, популяции. В процессе роста бактериальная клетка увеличивается в 2-3 раза, она интенсивно окрашивается и накапливается РНК. В благоприятных условиях рост заканчивается размножением. У бактерий размножение происходит делением пополам – бинарное деление. Это основной способ размножения у бактерий.

Размножение бактерий. Начинается с репликации - удвоения генома, а затем происходит деление. У бактерий вегетативная репликация т.е. информация передается от родительской клетки к дочерней.

У бактерий репликация саморегулируемая, так в геноме имеются гены, ответственные за репликацию, т.е. саморегулиремый процесс.

Репликация носит полуконсервативный характер. То есть дочерние клетки получают равномерно распределяющийся генетический материал. Репликация начинается с определенной точки – локус ДНК. От этой точки происходит раскручивание нитей ДНК, образуется репликационная вилка, синтезируется SSB белок, который препятствует повторному скручиванию нитей. Процесс осуществляется ДНК полимеразой, которая способна присоединять комплиментарные нуклеотиды к свободному 3”концу. Синтез комплиментарных участков запускается заправкой праймером. Это участок РНК, комплиментарный матричной ДНК и у праймера имеется свободный 3’ конец. Заправка праймером запускает синтез ДНК, на матрице строятся фрагменты ДНК(оказаки), которые сшиваются в единую нить ДНКлигазами. В бактериальной клетке образуются 2 идентичные нити ДНК, которые растаскиваются по полюсам клетки и после репликации запускается деление бактерий. Оно начинается с удлинения цитоплазматической мембраны, она удлиняется, формируется межклеточная перегородка по экватору, по которой бактерия бинарно делится и образуются 2 идентичные дочерние клетки.

Показатели роста и размножения бактерий.

1. Увеличение размеров клетки,
2. Концентрация бактерий – число клеток в 1 мл.
3. Плотность бактерий – масса бактерий в мг на мл
4. Время генерации – время, за которое число клеток удваивается.

Методы изучения данных показателей –

1. Измерение бактерий с помощью окуляр – микрометра. В ней шкала, по которой измеряется величина бактерий. Подсчет числа клеток в счетных камерах.
2. Нефилометрический метод – изучается мутность взвеси бактерий
3. Учет бактериальной массы путем взвешивания.
4. Рост и размножение бактерий в определенных условиях среды характеризует кривая роста