Курс лекций по микробиологии

Метаболиты и ионы поступают в микробную клетку различными путями. 

Пути поступления  метаболитов и ионов в микробную  клетку. 

1. Пассивный транспорт  (без энергетических затрат): 

1) простая диффузия; 

2) облегченная диффузия (по градиенту концентрации, с  помощью белков-переносчиков). 

2. Активный транспорт  (с затратой энергии, против  градиента концентрации; при этом  происходит взаимодействие субстрата  с белком-переносчиком на поверхности  цитоплазматической мембраны). 

Встречаются модифицированные варианты активного транспорта –  перенос химических групп. В роли белков-переносчиков выступают фосфорилированные ферменты, поэтому субстрат переносится в фосфорилированной форме. Такой перенос химической группы называется транслокацией.

3. Метаболизм бактериальной  клетки 

Особенности метаболизма  у бактерий: 

1) многообразие используемых  субстратов; 

2) интенсивность  процессов метаболизма; 

3) направленность  всех процессов метаболизма на  обеспечение процессов размножения; 

4) преобладание процессов  распада над процессами синтеза; 

5) наличие экзо–  и эндоферментов метаболизма. 

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 дыхательных мезосомах): 

а) дыхание; 

б) брожение. 

В зависимости от акцептора протонов и электронов среди бактерий различают аэробы, факультативные анаэробы и облигатные анаэробы. Для аэробов акцептором является кислород. Факультативные анаэробы в кислородных условиях используют процесс дыхания, в бескислородных – брожение. Для облигатных анаэробов характерно только брожение, в кислородных условиях наступает гибель микроорганизма из-за образования перекисей, идет отравление клетки. 

В микробной клетке ферменты являются биологическими катализаторами. По строению выделяют: 

1) простые ферменты (белки); 

2) сложные; состоят  из белковой (активного центра) и  небелковой частей; необходимы для  активизации ферментов. 

Различают также: 

1) конституитивные ферменты (синтезируются постоянно независимо от наличия субстрата); 

2) индуцибельные ферменты (синтезируются только в присутствии субстрата). 

Набор ферментов  в клетке строго индивидуален для  вида. Способность микроорганизма утилизировать  субстраты за счет своего набора ферментов  определяет его биохимические свойства. 

По месту действия выделяют: 

1) экзоферменты (действуют вне клетки; принимают участие в процессе распада крупных молекул, которые не могут проникнуть внутрь бактериальной клетки; характерны для грамположительных бактерий); 

2) эндоферменты (действуют в самой клетке, обеспечивают синтез и распад различных веществ). 

В зависимости от катализируемых химических реакций  все ферменты делят на шесть классов: 

1) оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции между двумя субстратами); 

2) трансферазы (осуществляют межмолекулярный перенос химических групп); 

3) гидролазы (осуществляют  гидролитическое расщепление внутримолекулярных  связей); 

4) лиазы (присоединяют химические группы по двум связям, а также осуществляют обратные реакции); 

5) изомеразы (осуществляют процессы изомеризации, обеспечивают внутреннюю конверсию с образованием различных изомеров); 

6) лигазы, или синтетазы (соединяют две молекулы, вследствие чего происходит расщепление пирофосфатных связей в молекуле АТФ).

4. Виды пластического  обмена 

Основными видами пластического  обмена являются: 

1) белковый; 

2) углеводный; 

3) липидный; 

4) нуклеиновый. 

Белковый обмен  характеризуется катаболизмом и  анаболизмом. В процессе катаболизма  бактерии разлагают белки под  действием протеаз с образованием пептидов. Под действием пептидаз из пептидов образуются аминокислоты. 

Распад белков в  аэробных условиях называется тлением, в анаэробных – гниением. 

В результате распада  аминокислот клетка получает ионы аммония, необходимые для формирования собственных  аминокислот. Бактериальные клетки способны синтезировать все 20 аминокислот. Ведущими из них являются аланин, глютамин, аспарагин. Они включаются в процессы переаминирования и трансаминирования. В белковом обмене процессы синтеза преобладают над распадом, при этом происходит потребление энергии. 

В углеводном обмене у бактерий катаболизм преобладает  над анаболизмом. Сложные углеводы внешней среды могут расщеплять только те бактерии, которые выделяют ферменты – полисахаридазы. Полисахариды расщепляются до дисахаров, которые под действием олигосахаридаз распадаются до моносахаров, причем внутрь клетки может поступать только глюкоза. Часть ее идет на синтез собственных полисахаридов в клетке, другая часть подвергается дальнейшему расщеплению, который может идти по двум путям: по пути анаэробного распада углеводов – брожению (гликолизу) и в аэробных условиях – по пути горения. 

В зависимости от конечных продуктов выделяют следующие  виды брожения: 

1) спиртовое (характерно для грибов); 

2) пропионионово-кислое (характерно для клостридий, пропиони-бактерий); 

3) молочнокислое (характерно для стрептококков); 

4) маслянокислое (характерно для сарцин); 

5) бутилденгликолевое (характерно для бацилл). 

Наряду с основным анаэробным распадом (гликолизом) могут  быть вспомогательные пути расщепления  углеводов (пентозофосфатный, кетодезоксифосфоглюконатный и др.). Они отличаются ключевыми продуктами и реакциями. 

Липидный обмен  осуществляется с помощью ферментов  – липопротеиназ, летициназ, липаз, фосфолипаз. 

Липазы катализируют распад нейтральных жирных кислот, т. е. ответственны за отщепление этих кислот от глицерина. При распаде  жирных кислот клетка запасает энергию. Конечным продуктом распада является ацетил-КоА. 

Биосинтез липидов  осуществляется за счет ацетилпереносящих белков. При этом ацетильный остаток переходит на глицерофосфат с образованием фосфатидных кислот, а они уже вступают в химические реакции с образованием сложных эфиров со спиртами. Эти превращения лежат в основе синтеза фосфолипидов. 

Бактерии способны синтезировать как насыщенные, так  и ненасыщенные жирные кислоты, но синтез последних более характерен для  аэробов, так как требует кислорода. 

Нуклеиновый обмен  бактерий связан с генетическим обменом. Синтез нуклеиновых кислот имеет  значение для процесса деления клетки. Синтез осуществляется с помощью  ферментов: рестриктазы, ДНК-полимеразы, лигазы, ДНК-зависимой-РНК-полимеразы. 

Рестриктазы вырезают участки ДНК, убирая нежелательные вставки, а лигазы обеспечивают сшивку фрагментов нуклеиновой кислоты. ДНК-полимеразы ответственны за репликацию дочерней ДНК по материнской. ДНК-зкависимые-РНК-полимеразы отвечают за транскрипцию, осуществляют построение РНК на матрице ДНК.

ЛЕКЦИЯ № 4. Генетика микроорганизмов. Бактериофаги

1. Организация наследственного  материала бактерий 

Наследственный аппарат  бактерий представлен одной хромосомой, которая представляет собой молекулу ДНК, она спирализована и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены. 

Функциональными единицами  генома бактерий, кроме хромосомных  генов, являются: 

1) IS-последовательности; 

2) транспозоны; 

3) плазмиды. 

IS-последовательности  – это короткие фрагменты ДНК.  Они не несут структурных (кодирующих  белок) генов, а содержат только  гены, ответственные за транспозицию (способность перемещаться по  хромосоме и встраиваться в  различные ее участки). 

Транспозоны – это более крупные молекулы ДНК. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген. Транспозоны способны перемещаться по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии генов. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы (автономно), но неспособны к автономной репликации. 

Плазмиды – дополнительный внехромосомный генетический материал. Представляет собой кольцевую, двунитевую молекулу ДНК, гены которой кодируют дополнительные свойства, придавая селективные преимущества клеткам. Плазмиды способны к автономной репликации, т. е. независимо от хромосомы или под слабым ее контролем. За счет автономной репликации плазмиды могут давать явление амплификации: одна и та же плазмида может находиться в нескольких копиях, тем самым усиливая проявление данного признака. 

В зависимости от свойств признаков, которые кодируют плазмиды, различают: 

1) R-плазмиды. Обеспечивают лекарственную устойчивость; могут содержать гены, ответственные за синтез ферментов, разрушающих лекарственные вещества, могут менять проницаемость мембран; 

2) F-плазмиды. Кодируют пол у бактерий. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские (F—) – не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при конъюгации, а женские – реципиента. Они отличаются поверхностным электрическим зарядом и поэтому притягиваются. От донора переходит сама F-плазмида, если она находится в автономном состоянии в клетке. 

F-плазмиды способны интегрировать в хромосому клетки и выходить из интегрированного состояния в автономное. При этом захватываются хромосомные гены, которые клетка может отдавать при конъюгации; 

3) Col-плазмиды. Кодируют синтез бактериоцинов. Это бактерицидные вещества, действующие на близкородственные бактерии; 

4) Tox-плазмиды. Кодируют выработку экзотоксинов; 

5) плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты, с помощью которых бактерии могут утилизировать ксенобиотики. 

Потеря клеткой  плазмиды не приводит к ее гибели. В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды.

2. Изменчивость у  бактерий 

Различают два вида изменчивости – фенотипическую и  генотипическую. 

Фенотипическая изменчивость – модификации – не затрагивает  генотип. Модификации затрагивают  большинство особей в популяции. Они не передаются по наследству и  с течением времени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу. 

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В основе ее лежат мутации и рекомбинации. 

Мутации – изменение  генотипа, сохраняющееся в ряду поколений  и сопровождающееся изменением фенотипа. Особенностями мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления. 

По локализации  различают мутации: 

1) генные (точечные); 

2) хромосомные; 

3) плазмидные. 

По происхождению  мутации могут быть: 

1) спонтанными (мутаген неизвестен); 

2) индуцированными (мутаген неизвестен). 

Рекомбинации –  это обмен генетическим материалом между двумя особями с появлением рекомбинантных особей с измененным генотипом. 

У бактерий существует несколько механизмов рекомбинации: 

1) конъюгация; 

2) слияние протопластов;