Физиология бактерий, методы ее изучения

Физиология микроорганизмов – раздел микробиологии, изучающий жизнедеятельность микробов, процессы их питания, обмена, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой

Значение физиологии микроорганизмов
Физиологические и биохимические особенности микроорганизмов положены в основу их систематики
Важны для изучения механизмов патогенного действия, культивирования, дифференцировки и идентификации отдельных микроорганизмов
Для разработки биотехнологии производства вакцин, антибиотиков и других биологически активных продуктов
Для понимания патогенеза, постановки микробиологического диагноза, проведения лечения и профилактики инфекционных заболеваний, регуляции взаимоотношений человека с окружающей средой и т.д.

Бактерии

Химический состав бактериальной клетки
вода -до 80% массы. Высушивание клетки приостанавливает процессы метаболизма и размножения, но не убивает её.
белки – 40-80% сухой массы бактерий. Они участвуют в процессах метаболизма, обладают ферментативной активностью. Белки обладают антигенными и иммуногенными свойствами, вирулентностью и видовой принадлежностью.
нуклеиновые кислоты 10-30% сухой массы. ДНК определяет наследственность. РНК-информационная, матричная, транспортная, рибосомальная. Участвуют в биосинтезе белка.
углеводы – моно- и дисахариды составляют 12-18% сухой массы. Полисахариды часто входят в состав капсул. Крахмал и гликоген являются запасными питательными веществами.
липиды входят в состав цитоплазматической мембраны и ее производных. В цитоплазме откладываются на запас. Липиды представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицерином.
минеральные вещества – 2-14% сухой массы.(Фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний, а так же микроэлементы-цинк, медь, кобальт, барий, марганец). Они участвуют в регуляции осмотического давления, окислительно - восстановительных реакциях, активируют ферменты и входят в состав витаминов.

Ферменты бактерий
Ферменты – это высокомолекулярные соединения белковой природы, которые являются катализаторами (т. е. оказывают влияние на скорость протекающей реакции).
Свойства ферментов:
Небольшое количество катализатора обеспечивает превращение большого количества субстрата, оставаясь при этом в свободном состоянии.
Для ферментов характерна высокая специфичность действия.
Ферменты, синтезируемые микробной клеткой, способны действовать, будучи выделенными из нее.

Группы ферментов: экзоферменты (действуют вне клетки) и эндоферменты (действуют в самой клетке)
Экзоферменты – это ферменты, не связанные с цитоплазмой клетки, они свободно выделяются во внешнюю среду или субстрат
Чаще всего они участвуют в питании микроорганизмов
Эндоферменты – это ферменты, которые прочно связаны с цитоплазмой клетки, они осуществляют свою деятельность внутри клетки
Чаще всего они участвуют в обмене веществ. Для их выделения клетку предварительно нужно разрушить
Биохимические свойства бактерий определяются составом ферментов:
протеолитические – расщепление белков
липолитические – расщепление жиров
сахаролитические – расщепление углеводов

Оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Играют большую роль в процессах биологического получения энергии.
Трансферазы — ферменты, катализирующие перенос отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок (не водорода) от одних соединений к другим.
Гидролазы — ферменты, катализирующие реакции расщепления и синтеза таких сложных соединений, как белки, жиры и углеводы, с участием воды.
Классификация ферментов

Лиазы — ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных химических групп с образованием двойных связей или присоединение отдельных групп или радикалов по двойным связям.
Изомеразы — ферменты, осуществляющие превращение органических соединений в их изомеры. Изомеризации подвергаются углеводы и их производные, органические кислоты, аминокислоты и т. д. Ферменты этой группы играют большую роль в ряде процессов метаболизма.
Лигазы — ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из простых.
Классификация ферментов (продолжение)

Питание бактерий
Особенности питания бактериальной клетки состоят в поступлении питательных субстратов внутрь через всю ее поверхность.
Микроорганизмы для питания используют самые разнообразные вещества. Для них необходимы минеральные вещества (сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо) и органогены, т. е. элементы, входящие в органические соединения (кислород, водород, углерод и азот). Кроме того, в очень малых количествах. Для нормального развития микроорганизмов требуются микроэлементы (цинк, бор, кобальт, марганец), которые содержатся в водопроводной воде и минеральных солях

Дыхание бактерий
· облигатные аэробы (к примеру, нейссерии, синегнойная палочка)растут только при наличии кислорода
· облигатные анаэробы могут расти только без кислорода (пептострептококки, вейллонеллы, бактероиды фузобактерии, анаэробоспириллы)
· факультативные аэробы и анаэробы могут существовать как в присутствии кислорода, так и без него
· аэротолерантные микробы (к примеру спорообразующие анаэробные палочки -клостридии газовой гангрены, столбняка). - это анаэробные бактерии, устойчивые к кислороду, которые не размножаются в присутствии кислорода, но и не погибают
· микроаэрофилы (стрептококки, актиномицеты и некоторые бациллы полости рта)представляют из себя небольшую группу факультативно-анаэробных бактерий, устойчивых к действию кислорода в небольших концентрациях (до 5-10%)
· капнофилы (возбудители бруцеллеза, стрептококки полости рта)нуждаются в избыточном количестве углекислого газа (до 20%)

Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление органических соединений (преимущественно углеводов) в анаэробных
условиях. По конечному продукту расщепления углеводов различают спиртовое, молочно-кислое, уксусно-кислое и другие виды брожения
Дыхание бактерий

Рост и размножение бактерий
Бактерии размножаются бинарным делением, реже почкованием, актиномицеты – спорами и фрагментацией
Грамотрицательные бактерии делятся путем перетяжки
Грамположительные бактерии делятся путем врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки

Фазы размножение бактерий
Рост периодической культуры бактерий подразделяют на несколько фаз, или периодов:
лаг-фаза
фаза логарифмического роста
фаза стационарного роста, или максимальной концентрации бактерий
фаза гибели

Классификация питательных сред
Среды различаются:
по консистенции - плотные, полужидкие и жидкие
по составу - простые, сложные
по источнику - естественные и синтетические (искусственные)
по назначению - специальные, элективные и дифференциально-диагностические, транспортные, обогащения

Условия культивирования бактерий
Различные группы микроорганизмов размножаются при определенных диапазонах температур. Бактерии, растущие при низких температурах, называются психрофилами, при средних (около 37°С) – мезофилами, при высоких – термофилами

Условия культивирования бактерий
рН – большинство растет при рН 7, многие бактерии растут в пределах от 6 до 9.
Относительная влажность. Микроорганизмы способны расти при относительной влажности от 0,998 до 0,6. Для большинства – превышает 0,98.
Для облигатных аэробов в необходим молекулярный кислород. Увеличение поверхности раздела:
1) культивирование в тонком слое;
2) перемешивание жидкости путем встряхивания;
3) вращение лежащих сосудов вокруг продольной оси;
4) пропускание воздуха через жидкость под давлением и др.
При выращивании строго анаэробных культур бактерий необходимо исключить доступ кислорода.

Методы промышленного культивирования бактерий
Биореакторы (ферментеры).
В качестве питательных сред используют дешевое, сырье (рыбно-костную муку, отходы сахарного производства, дрожжевой экстракт).
Из 1 т культуры за это время получается примерно 50 кг биомассы.
Высокопродуктивные промышленные штаммы микроорганизмов.
Из культуральной жидкости выделяют и концентрируют биомассу бактерий с помощью различных методов (сепарирование, центрифугирование, седиментация, выпаривание, ультрафильтрация, хроматография).

Особенности культивирования риккетсий и хламидий
Риккетсии и хламидии – облигатные внутриклеточные паразиты.
Для их культивирования применяют куриные эмбрионы, культуры клеток и чувствительных животных.
Риккетсии можно культивировать путем инфицирования ими переносчиков возбудителя инфекций – вшей, блох, клещей.

Особенности культивирования микоплазм
Факультативные анаэробы.
В питательные среды добавляют: сыворотку, холестерин, нуклеиновые кислоты, углеводы, витамины и различные соли.
На плотных средах на 5-7 сутки образуют мелкие колонии – «яичница глазунья».
На жидких средах дают очень незначительное помутнение или опалесценцию; некоторые – тончайшую жирную пленку. Чаще всего рост наблюдается у стенок и на дне сосуда.
Для первичного выделения также пригодны куриные эмбрионы и культуры клеток.

В связи с морфологическими особенностями микоплазмы не удается окрашивать анилиновыми красителями, и их изучают в нативных препаратах в фазово-контрастном микроскопе.
Для выявления микоплазм в культуре зараженных клеток активно применяются красители, образующие флуоресцентные комплексы с ДНК, например, 4',6-диамидино -2-фенилиндол (DAPI).
При культивировании микоплазмы даже при использовании самых богатых питательных сред растут очень медленно (видимый рост через 2-4 недели), колонии на твердой питательной среде имеют характерный вид: их центральная зона утолщена и проникает вглубь агара, а периферическая часть тонкая и расположена на поверхности.
Особенности культивирования микоплазм
Культура клеток, инфицированных микоплазмами