Физиология микроорганизмов

Глава   2 ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Физиология  микроорганизмов изучает процессы их роста, развития, питания, способы  получения энергии для осуществления  этих процессов, а также происходящие при этом превращения веществ в клетке.

Знания  физиологии позволяют управлять  жизнедеятельностью микроорганизмов, эффективно использовать их в практических целях – в сельском хозяйстве  и в промышленности, а также  найти средства борьбы с ними, когда  это необходимо.

ПОНЯТИЕ   ОБ   ОБМЕНЕ   ВЕЩЕСТВ

Основу  жизнедеятельности микроорганизмов, как и всех живых существ, составляет обмен веществ (метаболизм) с окружающей средой.

Обмен веществ представляет собой сложный комплекс разнообразных химических превращений веществ пищи, поступающей в организм из внешней среды (из субстрата).

Поступившие в клетку питательные вещества подвергаются «переработке» и из образующихся простых соединений синтезируются  сложные клеточные вещества. Этот процесс называют анаболизмом² или строительным· (конструктивным) обменом. Для осуществления его и других жизненных функций (движения, размножения и др.) необходима энергия. Организм получает ее в результате окислительно-восстановительных превращений поступивших в него с пищей органических и неорганических веществ. Этот процесс называют катаболизмом³  или энергетическим   обменом.

Оба этих процесса (анаболизм и катаболизм) в совокупности составляют обмен  веществ организма в целом  Особенностью микроорганизмов является большое разнообразие обменных процессов: различны потребности в питательных  веществах для  синтеза  веществ  тела,  различны  способы добывания  энергии и, кроме того, у микробов необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна клетка потребляет пищу, масса которой в 30–40 раз больше массы тела микроба. Основная часть пищи расходуется в   энергетическом   обмене,   при   котором   выделяется   в   среду большое количество продуктов обмена:  кислот, спиртов, углекислого газа, водорода и др

ХИМИЧЕСКИЙ   СОСТАВ   МИКРООРГАНИЗМОВ

Состав  веществ микроорганизмов в принципе мало отличается от химического состава  тела животных и растений. Важнейшими компонентами клетки являются белки, нуклеиновые  кислоты, липиды. Универсальны многие ферменты строительного и энергетического  обменов.

Важнейшими  химическими элементами, преобладающими в клетках микроорганизмов, являются углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, магний, кальций и  железо. Первые четыре из указанных элементов составляют основу органического вещества, поэтому называются органогенными элементами. Они составляют 90–97% сухого вещества. Другие элементы называют зольными или минеральными, на долю которых приходится 3–10%. Из них больше всего содержится фосфора, который входит в состав важных веществ клетки (нуклеиновых кислот, АТФ и др.).

В клетках  микроорганизмов находятся, хотя и  в крайне малых количествах, микроэлементы: медь, цинк, марганец, молибден и многие другие. Некоторые микроэлементы  входят в состав ферментов.Все элементы связаны в клетках в различные соединения, среди которых преобладает вода.75–85 % массы  Часть воды в клетке находится в связанном состоянии (с белками, углеводами и другими веществами) и входит в клеточные структуры.

Органические  вещества. Сухое вещество клеток микроорганизмов  не превышает 15–25% и состоит преимущественно (до 85–95 %) из органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и др.

Белковые  вещества являются основными компонентами клетки. Содержание их у бактерий достигает 40–80 % сухого вещества, у дрожжей  – 40–60, у грибов–15–40%. Белкам принадлежит  важнейшая роль в жизни организма. Аминокислотный состав белков микроорганизмов  сходен с белками других организмов. Различное сочетание аминокислот  создает огромное количество белков, обусловливающих все разнообразие организмов.

Некоторые белки выполняют каталитические функции, катализируют различные биохимические  реакции, протекающие постоянно  в микробной клетке. Такие белки  называют ферментами

В клетке микроорганизмов содержатся нуклеиновые  кислоты (ДНК и РНК). Молекула нуклеиновой  кислоты представляет собой длинную  цепь, которая состоит из многих элементарных единиц, называемых нуклеотидами. В состав каждого нуклеотида входят молекула фосфорной кислоты, молекула углеводного компонента (пентозы  или дезоксипентозы) и одного азотистого основания (пуринового или пиримидинового).

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содержит дезоксирибозу и  азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин. В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация клетки, «записаны» все особенности будущего организма, выработанные в процессе длительной эволюции и свойственные данному виду. Через ДНК наследственные особенности передаются потомкам. ДНК  сосредоточена главным образом  в ядре клеток или в его аналоге  – нуклеоидах бактериальных клеток.

РНК (рибонуклеиновая  кислота) содержит рибозу и азотистые  основания: аденин, гуанин, цитозин  и урацил. РНК преимущественно  сосредоточена в цитоплазме и в рибосомах. РНК рибосом участвует в синтезе белка.

Углеводы  входят в состав различных мембран  клеток микроорганизмов. Они используются для синтеза различных веществ в клетке и в качестве энергетического материала. Углеводы могут откладываться в клетке в виде запасных питательных веществ. В клетках большинства бактерий углеводы составляют   10–30%   сухого вещества, у грибов – 40 – 60%.

В теле микроорганизмов углеводы встречаются  преимущественно в виде полисахаридов – гликогена, гранулезы (углевод, близкий к крахмалу), декстрина, клетчатки или близких ей соединений. Полисахариды находятся и в связанном состоянии с белками, липидами.

Липиды  в клетках большинства микроорганизмов  составляют 3–10 % сухого вещества. Лишь у некоторых дрожжей и плесеней количество липидов может быть значительно  выше – до 40–60%· Липиды входят в  состав цитоплазматиче-ской мембраны и в состав других мембран, а также откладываются в виде запасных гранул.

В клетках  микроорганизмов часто обнаруживают пигменты, витамины и другие органические вещества.

Пигменты, или красящие вещества, у некоторых  микроорганизмов составляют значительную долю сухого вещества клетки. Пигменты обусловливают окраску микроорганизмов, а иногда выделяются в окружающую среду.

Минеральные вещества составляют не более 5– 15 % сухого вещества клетки. Они представлены сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами  и др. Фосфаты могут быть в свободном  виде и входить в состав различных  соединений.

Действие  физических факторов на микроорганизмыреди физических факторов, влияющих на рост и размножение микроорганизмов, наибольшее значение имеет температура . По отношению к существованию в различных температурных режимах микроорганизмы делят на мезофильные формы, оптимальная температура для которых составляет 25-40 ° С. К мезофилам относится подавляющее большинство как сапрофитных, так и патогенных бактерий.  
Среди бактерий - обитателей глубин океанов, тундровых по чв встр ечаются сапрофитные бактерии - психрофилы , которые размножаются при температуре ниже 20 ° С. Термофильные микроорганизмы, заселяющие, например, воды горячих источников, способны размножаться при температуре выше 70 ° С.  
Бактерии-мезофилы в вегетативном состоянии чувствительны к повышению температуры до 50-55 ° С. При этом происходит денатурация ферментных белков бактериальной клетки, что ведет к гибели организма. 
Спорообразующие бактерии - бациллы - более устойчивы к повышению температуры, многие из них способны выдерживать в течение нескольких часов нагревание до 100-110 ° . Однако , чувствительность к повышенной температуре колеблется у бактерий в зависимости от условий культивирования, состава питательной среды, длительности экспозиции температурного влияния и других факторов. 
При температуре ниже оптимальной на 5-10 ° С бактерии не погибают, однако, их размножение задерживается в связи с торможением обмена веществ. Для сохранения вегетативных форм бактерий при пониженной температуре применяют вещества с высокой вязкостью, которые предохраняют цитоплазму бактериальной клетки от разрушения кристаллами льда. Такие вещества называют криопротекторами . К ним относятся желатина, раствор альбумина, глицерин, 40% раствор сахарозы. Криопротекторы используют для длительного хранения культур бактерий при минусовых температурах, а также при лиофильном высушивании микроорганизмов. Лиофильное высушивание предусматривает переход вещества из замороженного состояния в сухое, минуя жидкую фазу. Это достигается при нагревании замороженных культур бактерий в условиях вакуума и используется при приготовлении иммунобиологических препаратов. 
Кроме температурного фактора на бактерии влияют и факторы осмотического и гидростатического давления . Бактерии, дрожжи и плесневые грибы устойчивы к гидростатическому давлению. Они переносят давление 1000-3000 атм , а спороносные бактерии - до 20 000 атм. При таком высоком давлении снижается активность бактериальных ферментов и токсинов. Осмотическое давление отрицательно влияет на биохимическую активность микроорганизмов. Повышение концентрации солей задерживает развитие многих бактерий, однако, есть виды способные развиваться в присутствии концентрированных растворов солей, такие бактерии называют осмофильными (галофильными). Осмотическое давление в клетке регулирует цитоплазматическая мембрана. При высоком осмотическом давлении окружающей среды происходит плазмолиз. Плазмолиз явление обратимое, и если понизить осмотическое давление окружающего микроорганизмы раствора, вода поступает внутрь клетки и возникает явление противоположное плазмолизу - плазмоптиз . 
К физическим факторам, влияющим на микроорганизмы, относят также и влияние лучистой энергии . Большинство патогенных бактерий плохо переносят прямой солнечный свет. На этом основано использование ультрафиолетового света с целью обеззараживания (стерилизации) воздуха в помещениях медицинских учреждений. Как УФ-свет , так и рентгеновские лучи, и другие виды ионизирующего излучения оказывают на микроорганизмы летальное или мутагенное действие. Наиболее эффективны короткие лучи ультрафиолетового спектра с длиной волны около 280 нм. Такие лучи поглощаются нуклеиновыми кислотами клетки, при этом поражаются пиримидиновые основания и клетки погибают в результате возникновения летальных мутаций. Часть облученных клеток популяции способна к восстановлению, репарации ДНК. Репарация облученных молекул ДНК происходит при фотореактивации клеток, для этого необходимо воздействовать на клетки повторно лучами более длинноволновой области (520-550 нм) или провести « темновую реактивацию».  
Радиоактивное излучение также губительным образом действует на микроорганизмы. При этом значение имеют морфологическое и физиологическое состояние микроорганизма, экспозиция, доза облучения. Бактерии более чувствительны к ионизирующему облучению, чем вирусы. Механизм действ ия ио низирующей радиации так же связан с изменением нуклеиновых кислот клетки. Ионизирующая радиация в отдельных случаях используется в практике здравоохранения для стерилизации лекарственных веществ, хирургических материалов. 
Ультразвуковые волны при частоте колебания 1-1,3 мГц в течение 10 мин оказывает бактерицидный эффект на клетки микроорганизмов. Ультразвук способствует разрыву клеточных стенок и мембран, повреждению флагеллина у подвижных форм микроорганизмов. Влияние ультразвука основано на механическом разрушении микроорганизмов в результате возникновения высокого давления внутри клетки или на появлении гидроксильных радикалов и атомарного кислорода в водной среде цитоплазмы. Это позволяет использовать его в качестве стерилизующего агента, а также применять для инактивации и дезинтеграции вирусов с целью получения антигенов и вирусных вакцин.

Для роста  и размножения микроорганизмы нуждаются  в веществах, используемых для построения структурных компонентов клетки и получения энергии. Метаболизм (т.е. обмен веществ и энергии) имеет две составляющих- анаболизм и катаболизм. 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.

Основным  регулятором поступления веществ  в бактериальную клетку является цитоплазматическая мембрана. Существует четыре основных механизма поступления  веществ: -пассивная диффузия- по градиенту концентрации, энергонезатратная, не имеющая субстратной специфичности;

- облегченная диффузия- по градиенту концентрации, субстратспецифичная, энергонезатратная, осуществляется при участии специализированных белков пермеаз;

- активный транспорт- против градиента концентрации, субстратспецифичен (специальные связывающие белки в комплексе с пермеазами), энергозатратный (за счет АТФ), вещества поступают в клетку в химически неизмененном виде;

- транслокация (перенос групп)- против градиента концентрации, с помощью фосфотрансферазной системы, энергозатратна, вещества (преимущественно сахара) поступают в клетку в форфорилированном виде.

Основные химические элементы- органогены, необходимые для синтеза органичеких соединений- углерод, азот, водород, кислород.

В зависимости  от источника потребляемого углерода микробы подразделяют на аутотрофы (используют CO2) и гетеротрофы (используют готовые органические соединения). В зависимости от источника энергиимикроорганизмы делят на фототрофы (энергию получают за счет фотосинтеза- например, цианобактерии) ихемотрофы (энергия добывается за счет химических, окислительно- восстановительных реакций). Если при этом донорами электронов являются неорганические соединения, то это литотрофы, если органические-органотрофы. Если бактериальная клетка в состоянии синтезировать все необходимые для жизнедеятельности вещества, то это прототрофы. Если бактерии  нуждаются в дополнительных веществах (факторах роста), то это ауксотрофы. Основными факторами роста для труднокультивируемых бактерий являются пуриновые и пиримидиновые основания , витамины, некоторые (обычно незаменимые) аминокислоты, кровяные факторы (гемин) и др.

Дыхание микроорганизмов.

Путем дыхания микроорганизмы добывают энергию. Дыхание- биологический процесс  переноса электронов через дыхательную  цепь от доноров к акцепторам с  образованием АТФ. В зависимости  от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О₂), при анаэробном- связанный кислород ( -NO₃ , =SO₄, =SO₃).

Примеры.

О₂

Аэробное  дыхание   донор водорода                H₂O

Анаэробное  дыхание

нитратное окисление                                                      NO₃

(факультативные  анаэробы)  донор водорода              N₂

сульфатное  окисление                                                   SO₄

(облигатные  анаэробы)     донор водорода                  H₂S

По  типу дыхания выделяют четыре группы микроорганизмов.

1.Облигатные (строгие) аэробы. Им необходим молекулярный (атмосферный) кислород для дыхания.

2.Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода. Для создания этих условий в газовую смесь для культивирования обычно добавляют CO₂, например до 10- процентной концентрации.

3.Факультативные анаэробы могут потреблять глюкозу и размножаться в аэробных и анаэробных условиях. Среди них имеются микроорганизмы, толерантные к относительно высоким (близких к атмосферным) концентрациям молекулярного кислорода – т.е. аэротолерантные, а также микроорганизмы которые способны в определенных условиях переключаться с анаэробного на аэробное дыхание.

4.Строгие анаэробы размножаются только в анаэробных условиях т.е. при очень низких концентрациях молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для них губителен. Биохимически анаэробное дыхание протекает по типу бродильных процессов, молекулярный кислород при этом не используется.

Аэробное  дыхание энергетически более  эффективно (синтезируется большее  количество АТФ).