Физиология, биохимия микроорганизмов (прокариотов: бактерий, эукариотов: простейших, грибов, вирусов)

Физиология- наука, изучающая жизненные функции микроорганизмов: питание, дыхание, рост, размножение, метаболизм (обмен веществ).
Формы метаболизма:
ассимиляция (аноболизм) - процесс усвоения питательных веществ и использование их для синтеза клеточных структур;
диссимиляция (катоболизм) - процесс разложения и окисления питательных веществ с выделением энергии для жизни микроорганизма.

Особенности метаболизма:
1. высокий уровень интенсивности, чем у многоклеточных;
2. процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции;
3. спектр потребляемых бактериями веществ очень широк - от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до органических соединений, включая антропогенные вещества - загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым процессы ее самоочищения);
Метаболиз проходит с участием ферментов. Ферменты - вещества белковой природы, вырабатываемые живой клеткой, локализуются в основном в цитоплазме, некоторые в ядре и клеточной стенке.

Виды ферментов:
экзоферменты - ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду, расщепляют питательные вещества до более простых соединений, которые может усвоить микроорганизм (фермент гидролаза - расщепляет белков, жиров, углеводов; протеазы - расщепляет белки; липаза - расщепляют жиры; карбогидразы- расщепляют углеводы);
эндоферменты - ферменты бактерий, участвуют в процессе обмена веществ внутри клетки (ферменты, расщепляющие аминокислоты, моносахара, синтетазы).
адаптивные - ферменты, синтезирующиеся при наличии соответствующего субстрата в данной питательной среде, микроорганизм вынужден их усваивать (если бактерии не вырабатывающие фермент амилазу, расщепляющий крахмал, засеять на питательную среду, где единственный источник углеводов- крахмал, то микроорганизм вынужден вырабатывать амилазу, чтобы выжить).
Ферменты агрессии - для преодоления защитных барьеров макроорганизма (гиалуронидаза расщепляет межклеточное вещество соединительной ткани, способствуя распространению микроорганизма в макроорганизме).

Различия в ферментативном составе бактерий в медицине используют для их идентификации (дифференциально - диагностические среды (определяют сахаролитическую активность на средах Гиса, Плоскирева, Левина, Эндо); протеолитическую активность (разложение белков в МПБ, образование индола, сероводорода, аммиака, разжижжение желатина)

Химические компоненты бактериальной клетки:
Органогены:
а) Макроэлементы (много в клетке): (кислород 30%, водород 6-8%, углерод 45-55%, азот 8-10%, фосфор), которые используются для построения белков, углеводов, липидов, фосфор, входящий в нуклеиновые кислоты, ферментов, АТФ; сера, натрий участвуют в поддержании осмотического давления в клетке; магний, калий, кальций, железо ферментов АТФ накапливают энергию в клетке),
б) Микроэлементы (мало в клетке): (молибден, кобальт, бор - находятся в дыхательных ферментах; марганец, цинк, медь - активизируют работу ферментов), т.е. регуляция осмотического давления, рН среды, окислительно - восстановительного потенциала, входят в состав витаминов и структурных компонентов клетки.

Вода микробной клетке участвует в химических реакциях, как растворитель, с ней поступают в клетку и удаляются из неё все вещества. Вода занимает 75-85% бактериальной клетки. В спорах количество воды снижается до 20%
Белки (50-80% сухого вещества клетки): простые - протеины, сложные- протеиды. Белки входят в состав клеточной стенки (липопротеиды, гликопротеиды), нуклеиновых кислот (нуклеопротеиды), ферментов, токсинов (яды микроорганизмов).
Нуклеиновые кислоты: ДНК содержится в ядре, несёт генетическую информацию; РНК участвует в биосинтезе клеточных белков, содержится в ядре и цитоплазме.

Углеводы - источник энергии и углерода, входят в состав клеточной оболочки, капсулы, тейхоевой кислоты (у грамположительных микроорганизмов), в запасные вещества клетки (крахмал, гликоген).
Липиды - входят в состав цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, включений участвуют в энергетическом обмене. Чем больше липидов в микробной клетке, тем она устойчивее к факторам внешней среды (микобактерия туберкулёза).

Питание – процесс получения из окружающей среды компонентов, необходимых для построения её биополимеров (органоидов).
Бактериальные клетки не имеют специальных органов питания, т.е. являются голофитными. Питание происходит через всю поверхность микроорганизма.
Поступление питательных веществ в микробную клетку происходит:
1. за счет осмоса и диффузии (градиенту концентрации без затрат энергии);
2. за счет пассивного транспорта (по градиенту концентрации с помощью белков-переносчиков, без затрат энергии, отличается от диффузии большей скоростью);
3. за счет активного транспорта (против градиента концентрации с затратой энергии).

Типы питания м/о по усвоению углерода.
По способности усваивать углерод:
1. аутотрофы (литотрофы) – микроорганизмы (почвенные бактерии - серобактерии), использующие как источник углерода углекислый газ, другие неорганические соединения углерода.
2. гетеротрофы (органотрофы) – микроорганизмы (сапрофиты от греч. Sapros – гнилой phyton – растение; паразиты от греч. Parasitos - нахлебник), которые использующие как источник углерода органические углеродосодержащие соединения (углеводы, углеводороды, аминокислоты, органические кислоты)

Типы питания м/о по усвоению азота.
1. аминоавтотрофы (клубеньковые бактерии) для синтеза белка клетки используют молекулярный азот воздуха,
2. аминогетеротрофы (патогенные микроорганизмы, многие сапрофиты) получают азот из органических соединений (аминокислоты, сложные белки).

По источникам получения энергии микроорганизмы делятся:
1. фототрофы (пурпурные серобактерии, сине - зелёные водоросли), способные использовать для биосинтетических реакций солнечную энергию;
2. хемотрофы, получающие энергию за счет окисления неорганических веществ (нитрифицирующие бактерии) и органических соединений (большинство бактерий), т.е. в химических реакциях.
(окисление- отдача водорода, восстановление- присоединение водорода)

Особенности белкового и углеводного обмена бактерий
Белковый обмен - процесс синтеза собственных аминокислот и белков путем ассимиляции компонентов из внешней среды, с другой стороны - внеклеточное расщепление белков под воздействием различных ферментов. Если расщепление белков происходит в анаэробных условиях, то этот процесс называется гниение, а если он идет в аэробных условиях - тление.
Углеводный обмен - процесс синтеза и распада углеводов. Расщепление углеводов бактериями (сахаролитические свойства) в аэробных условиях с образованием углекислого газа и воды называется горением, а расщепление ими углеводов в анаэробных условиях – брожением (спиртовое, молочнокислое, масляно - кислое, уксусно - кислое).

Типы дыхания бактерий.
Дыхание (биологическое окисление) - процесс, сопровождающийся выделением энергии, необходимой микроорганизмам для синтеза органических соединений.
Органеллами дыхания - производная цитоплазматической мембраны - мезосомы, с дыхательными ферментами типа цитохромоксидаз.

По типу дыхания бактерии делят:
1. облигатные (строгие) аэробы развиваются при наличии 20% кислород в атмосфере.
2. микроаэрофилы- бактерии, нуждающиеся в меньшем количестве кислорода (бруцеллы, лептоспиры). Большое количество кислорода будет задерживать их рост.
3. облигатные анаэробы – бактерии (клостридии столбняка, ботулизма, бациллы газовой гангрены), растущие только в бескислородной среде.
4. факультативные анаэробы - бактерии, способные расти как в присутствии, так и в отсутствии кислорода (большинство патогенных и сапрофитных бактерий - возбудители брюшного тифа, кишечная палочка).

Рост и размножение бактерий.
Рост бактерий - увеличение размеров отдельной особи.
Размножение бактерий - способность организма к самовоспроизведению, в результате чего увеличивается число особей в популяции. В основном размножение происходит путём поперечного деления в разных плоскостях (чаще за 15-30 минут, микобактерия туберкулёза делится 1 раз в сутки). В результате деления образуются сочетания клеток: цепочки (стрептококки), парные соединения (диплококки), тетрады кокков, тюки (сарцины), гроздья (стафилококки).

Размножение бактерий в жидкой питательной среде:
фаза исходная (латентная): адаптация бактерий к питательной среде, начало размножения (лаг - фаза);
фаза логарифмическая: бактерии энергично размножаются;
фаза стационарная: концентрация бактерий в среде постоянная;
фаза отмирания: жизнеспособных клеток мало, постепенно они отмирают.
В жидких средах микроорганизмы образуют либо равномерную муть, либо осадок, или плёночку (придонный, диффузный или поверхностный рост).

Размножение бактерий на полужидких средах
микробы вызывают помутнение толщи среды, неподвижные растет только по «уколу», оставляя остальную среду прозрачной.
При культивировании (выращивании) на плотных питательных средах: бактерии образуют колонии - видимое невооруженным глазом скопление бактерий одного вида, являющееся чаще всего потомством одной клетки. Микроорганизмы могут давать пышный, умеренный, скудный рост, сплошной налёт («газон») или изолированные колонии.

Колонии бактерий разных видов отличаются: формой (выпуклые, плоские, куполообразные, вдавленные, круглые, розеткообразные R- форма (шероховатые), S- форма (гладкие с ровными краями), величиной (крупные 4-5мм, средние 2-4мм, карликовые менее 1мм), прозрачностью (прозрачные, непрозрачные), цветом (от белой до чёрной), высотой, характером поверхности (шероховатая, гладкая, матовая, блестящая, бугристая, сухая), краев (ровный, неровный: волнистые, извитые), консистенцией.

Физиология эукариотов
Грибы - гетеротрофы, аэробы и факультативные анаэробы, растут при 25-30 градусах на сусле - агаре, среде Сабуро, среде Чапека. Размножение половое и бесполое.
Простейшие - питание с помощью пищеварительной вакуоли, выделение с помощью сократительной вакуооли. По типу питания - гетеротрофы, аутотрофы. Размножение половое и бесполое. Растут на питательных средах с белком, аминокислотами.
Физиология вирусов
Вирусы – рост, размножение и питание на биологических моделях (животные, куринный эмбрион, гетеротрофы).