ФИЗИОЛОГИЯ ПРОКАРИОТ Лектор ЛЕВАНОВА ЛЮДМИЛА АЛЕКСАНДРОВНА

ФИЗИОЛОГИЯ ПРОКАРИОТ Лектор – ЛЕВАНОВА ЛЮДМИЛА АЛЕКСАНДРОВНА – д. м. н. , профессор, зав. кафедрой микробиологии, иммунологии и вирусологии

Метаболизм (обмен веществ) бактерий

Метаболизм бактерий Катаболизм (диссимиляция) – распад веществ в процессе ферментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ. n Анаболизм (ассимиляция) – синтез веществ с затратой энергии. n

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА У БАКТЕРИЙ ¨ высокая скорость метаболических процессов; ¨ процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции; ¨ могут использовать любые источники основных химических соединений; ¨ высокая адаптационная способность к меняющимся условиям окружающей среды; ¨ широкий спектр различных ферментов;

Особенности метаболизма риккетсий, хламидий, микоплазм n Риккетсии Не способны синтезировать некоторые макромолекулы → облигатный внутриклеточный паразитизм n Хламидии ¨ Не способны синтезировать некоторые макромолекулы → облигатный внутриклеточный паразитизм ¨ Не способны синтезировать АТФ – «энергетические паразиты» n Микоплазмы Не способны синтезировать стерины для ЦПМ – «мембранные паразиты»

ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ

ПИТАНИЕ процесс, в ходе которого бактериальная клетка получает из окружающей среды компоненты, необходимые для построения ее биополимеров (органоидов)

Основные химические компоненты бактериальной клетки ОРГАНОГЕНЫ – кислород, водород, углерод, азот, фосфор

Особенности питания ГОЛОФИТЫ ●не имеют специальных органов питания; ●поступление питательных веществ происходит по всей поверхности;

Пути проникновения питательных веществ в бактериальную клетку n Без затраты энергии (диффузия) ¨ простая ¨ облегченная n С затратой энергии ¨ без химической модификации переносимых молекул (активный транспорт) ¨ с химической модификацией переносимых молекул (транслокация химических групп) п е р м е а з ы

Классификация бактерий по источнику углерода Неорганические соединения: СО 2 или карбонат – автотрофы n Органические соединения – гетеротрофы n ¨ окружающей среды – сапрофиты ¨ живой клетки – паразиты наряду с органическими соединениями окружающей среды – факультативные (б-во патогенных бактерий) n только живой клетки – облигатные n риккетсии ¨ хламидии ¨

По источникам азота n Способны усваивать молекулярный азот атмосферы - азотфиксирующие n Ассимилирующие неорганический азот: солей аммония - аммонифицирующие нитратов – нитратредуцирующие нитритов - нитритредуцирующие -

Классификация бактерий по потребностям в факторах роста n n Способны синтезировать факторы роста (азотистые основания, аминокислоты, витамины, липиды) Прототрофы Не способны синтезировать какое-либо из необходимых соединений и ассимилирующие их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина Ауксотрофы

Классификация бактерий по особенностям энергетического метаболизма Источник энергии – солнечный свет (фототрофы) n Источник энергии – химические (окислительно-восстановительные) реакции с синтезом АТФ (хемотрофы) n расщепляющие неорганические соединения (литотрофы) - расщепляющие органические соединения (органотрофы) -

Дыхание бактерий или биологическое окисление совокупность биохимических процессов, сопровождающихся образованием энергии, необходимой для жизнеобеспечения клетки Пути получения энергии: n Фотосинтез (фотосинтетическое фосфорилирование) Участники: энергия фотонов, хлорофилл, пигменты, СО 2 (цианобактерии) n Дыхание (окислительное фосфорилирование) – процесс взаимодействия субстрата со свободным кислородом и ферментами дыхания. n Брожение (субстратное фосфорилирование). Участники: органические субстраты, связанный кислород. - Бактерии, получающие энергию путем химических реакций, называются скотобактериями.

Количество энергии, выделяемое при разных типах дыхания Аэробное – 676 ккал; n Анаэробное – 166 ккал; n Брожение – 30 ккал n

Дыхание (окислительное фосфорилирование) - цепь реакций биологического окисления. Сущность: присоединение кислорода или отнятие водорода от субстрата расщепление вещества и разрушение химических связей энергия связей выделяется в окружающую среду и на 70% усваивается клеткой в виде биологической энергии образуются высокоэнергетические соединения (АТФ, УДФ, НАДФ, ФАД)

По типу дыхания различают Облигатные аэробы; n Облигатные анаэробы; n Факультативные аэробы и анаэробы: - аэротолерантные - микроаэрофильные - капнофилы n

Тип дыхания зависит от набора ферментов дегидрогеназы (первичный акцептор водорода) переносят электроны водорода с окисляемого вещества на флавопротеины (ФАД или желтый фермент) желтый фермент передает его далее (или непосредственно кислороду с образованием Н 2 О 2) цитохрому (А, В, С) далее кислороду

Классификация бактерий по отношению к кислороду воздуха Группа Облигатные аэробы Микроаэрофилы Капнофилы Наличие ферментов, нейтрализующих токсические продукты О 2 При доступе Без доступа кислорода Супероксид Каталаза воздуха дисмутаза (Н 2 О 2 → Н 2 О+ О 2) (О • →Н 2 О 2) + + растут не растут + ± ↓О 2 – растут не растут ± ↑СО 2 растут не растут +

Анаэробы Наличие ферментов, нейтрализующих токсические продукты О 2 При доступе Без доступа кислорода Супероксид Каталаза воздуха дисмутаза (Н 2 О 2 → Н 2 О+ О 2) (О • →Н 2 О 2) Аэротолерантные + Облигатные Факультативные (б-во бактерий) – Не растут, но не погибают Растут – – Погибают Растут + + Растут

Брожение (субстратное фосфорилирование) - разновидность анаэробного дыхания, при котором и донором и акцептором водорода является органическое вещество. Типы брожения: ▪ молочнокислое ▪ маслянокислое ▪ пропионовокислое ▪ спиртовое ▪ бутиленгликолевое

Превращение углеводов Пути: n Аэробный: - прямое окисление - непрямое окисление n Анэробный (гликолиз)

Непрямое аэробное окисление 1 -й этап распад глюкозы на 2 молекулы ПВК поступают в цепь биологического окисления 8 -9 молекул АТФ 2 - этап ПВК превращается в 2 молекулы ацетил-Ко. А 6 молекул АТФ 3 -й этап 2 молекулы ацетил-Ко. А окисляются в цикле Кребса 6 атомов СО 2 и 16 атомов водорода цепь биологического окисления 24 молекулы АТФ Всего 38 молекул АТФ

Прямое аэробное окисление (пентозный цикл) Последовательное окисление 6 атомов углерода образуется углекислый газ, пентозы (рибоза, дезоксирибоза) синтез ДНК и РНК, накапливается НАД Н 2 (поставщик водорода и энергии – 36 молекул АТФ)

БЕЛКОВЫЙ ОБМЕН Процесс синтеза собственных аминокислот и белков путем ассимиляции необходимых компонентов из внешней среды; n Внеклеточное расщепление белков под воздействием различных ферментов: - расщепление в анаэробных условиях – гниение; - расщепление в аэробных условиях – тление. n

Классификация бактериальных ферментов n Экзоферменты Синтезируются во внешнюю среду n Эндоферменты Локализация: ¨ Периплазматическое пространство ¨ ЦПМ ¨ Цитоплазма n Конститутивные Синтезируются постоянно (в том числе и при отсутствии субстрата) n Индуцибельные Синтезируются только при наличии субстрата n Ферменты вирулентности (патогенности) Субстрат действия – клетки и ткани макроорганизма

РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Рост бактерий – увеличение массы клеток без изменения их числа в популяции. Размножение – увеличение числа клеток в популяции микроорганизмов.

Стадии роста периодической бактериальной культуры Лаг-фаза Деления клеток не происходит n

Стадии роста периодической бактериальной культуры Положительного ускорения Скорость деления клеток увеличивается n

Стадии роста периодической бактериальной культуры Логарифмического роста (экспоненциальная) Скорость деления клеток максимальная n

Стадии роста периодической бактериальной культуры Отрицательного ускорения Скорость деления клеток снижается n

Стадии роста периодической бактериальной культуры Стационарная фаза максимума Количество живых клеток постоянно n

Стадии роста периодической бактериальной культуры Ускоренной гибели Количество живых клеток начинает снижаться (убывает с увеличивающейся скоростью) n

Стадии роста периодической бактериальной культуры Логарифмической гибели Количество живых клеток убывает с максимальной скоростью n

Стадии роста периодической бактериальной культуры Уменьшения скорости гибели Количество живых клеток убывает с уменьшающейся скоростью n

Стадии роста периодической бактериальной культуры Стационарная фаза минимума Количество живых клеток минимально n

Способы размножения бактерий n Бинарное деление Большинство бактерий: ¨ перегородка формируется от КС к центру клетки – Г+ ¨ перетяжка клетки (клетка истончается посередине) – Г– n Почкование ¨ ¨ n Фрагментация нитевидных форм ¨ ¨ n Francisella Микоплазмы Актиномицеты Микоплазмы Экзоспоры Стрептомицеты n Особый цикл деления Хламидии

Цикл развития хламидий Стадия Функция Элементарной тельце Инфекционная (проникновения в клетку-хозяина путем инвагинации места адсорбции) Ретикулярное (инициальное) тельце Репродуктивная (размножение бинарным делением → формирование цитоплазматического включения – микроколонии) Промежуточное тельце Переходная форма от ретикулярного тельца вновь к элементарному тельцу

Культивирование микроорганизмов Метод культивирования In vivo: n. Культура клеток n. Птичий эмбрион n. Организм животного In vitro: n. Искусственные питательные среды Микроорганизмы Облигатные паразиты: n. Риккетсии n. Хламидии n. Вирусы Почти все патогенные бактерии

Классификация искусственных питательных сред n По консистенции ¨ Жидкие ¨ Полужидкие (0, 5% агара) ¨ Плотные (1, 5 -2% агара, свернутые)

Классификация искусственных питательных сред n По составу ¨ Натуральные n простые мясо-пептонный агар и бульон (МПА и МПБ) ¨ желатин ¨ молоко ¨ кусочки овощей ¨ n сложные простые + добавка ¨ Синтетические

Классификация искусственных питательных сред n По назначению ¨ Основные Универсальные (простые натуральные) n Специальные (сложные натуральные) n ¨ Элективные (селективные) ¨ Дифференциально-диагностические ¨ Консервирующие

n n n Агар – полисахарид, добываемый из морских водорослей определенных видов; используется для уплотнения питательных сред в бактериологии по такому же алгоритму, как в быту крахмал или желатин Свернутые питательные среды – это плотные среды, содержащие сыворотку крови или обогащенные белком (яичные, например), которые уплотняются при прогревании в процессе стерилизации Натуральные среды готовятся на основе отваров, экстрактов мяса, рыбы, овощей и др. натуральных продуктов Простые натуральные среды представляют собой такие отвары или экстракты Сложные натуральные среды получают путем добавления в простые натуральные среды любого вещества (красителя, сахара, антибиотика, крови и т. д. )

n n Синтетические питательные среды получают, смешивая чистые химические вещества (как правило, соли) Элективные (селективные, избирательные, обогащения) питательные среды – это среды, содержащие вещества, используемые бактериями определенных видов и не благоприятствующие или даже препятствующие росту других бактерий Дифференциально-диагностические питательные среды – это среды, позволяющие отличать одни виды бактерий от других по их ферментативной активности или культуральным свойствам Консервирующие питательные среды – это среды, используемые, например, при доставке патологического материала в бактериологическую лабораторию – так как метаболическая активность на них бактерий сводится практически к нулю, то бактерии сохраняются, но не размножаются

Требования к условиям культивирования бактерий n Питательные потребности ¨ простые – растут на универсальных питательных средах ¨ сложные – растут на специальных питательных средах n Температура культивирования ¨≈ 37°С – мезофилы ¨ 6 – 20°С – психрофилы ¨ 50 – 60°С – термофилы

Требования к условиям культивирования бактерий n Реакция среды (р. Н) ¨ кислая – ацидофилы ¨ нейтральная – большинство ¨ щелочная – алкалифилы n патогенных бактерий Условия аэрации ¨ не принимают во внимание – факультативные анаэробы ¨ ↓ О 2 – микроаэрофилы ¨ ↑ СО 2 – капнофилы ¨ без доступа воздуха – анаэробы ¨ с обязательным доступом воздуха – облигатные аэробы

КУЛЬТУРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БАКТЕРИЙ

Колония – видимое невооруженным глазом скопление бактерий одного вида, являющееся потомством одной клетки. Колонии бактерий разных видов отличаются: - формой; - величиной; - прозрачностью; - цветом; - высотой; - характером поверхности и краев; - консистенцией.

Характер роста бактерий на искусственных питательных средах n Плотные питательные среды ¨ S-форма колоний ( «гладкая» ) кокки n Г– палочки, кроме Yersinia pestis n ¨ R-форма колоний ( «шероховатая» ) Г+ палочки n Yersinia pestis n

Культуральные признаки

Характер роста бактерий на искусственных питательных средах n Жидкие питательный среды ¨ диффузная муть – большинство бактерий ¨ плёнка – «коховские бактерии» ¨ придонный или пристеночный рост – стрептококки ¨ плёнка со спускающимися вниз «сталактитами» – Yersinia pestis

Рост бактерий на жидкой питательной среде

Методы создания анаэробных условий для культивирования бактерий

Физические n n n культивирование в анаэростате (выкачивается воздух) или аппарате Киппа (замещается инертным газом, например азотом) трубки Виньяль-Вийона (смешивание с расплавленной и охлаждённой питательной средой с её последующим застыванием – глубинное культивирование) засев уколом в высокий столбик (полужидкой среды) культивирование под слоем масла регенерация жидкой питательной среды перед засевом (кипячение с последующим быстрым охлаждением) метод Перетца (в чашку Петри заливается охлаждённая среда, смешанная с культурой, на поверхность – предметное стекло, сняв которое можно легко добраться до выросшей культуры)

Химические n в замкнутом объёме протекает химическая реакция с поглощением кислорода ¨ метод Аристовского (сыпучие ингредиенты) ¨ метод Омелянского (жидкие ингредиенты) n включение в питательную средуцирующих веществ (связывают растворённый в среде кислород) ¨ глюкоза ¨ тиогликолевая кислота и др.

Биологические n метод Фортнера (в замкнутом объёме культивируются анаэробы и жадный аэроб – после прекращения роста которого в безкислородной среде начинают расти анаэробы)

Метод Китта-Тароцци n среда Китта-Тароцци ¨ МПБ с глюкозой ¨ на поверхности – масло ¨ на дне – кусочки печени

БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БАКТЕРИЙ

Изучение сахаролитических свойств n Питательные среды, методы Дифференциально-диагностические среды: ¨ Эндо ¨ Левина ¨ Плоскирева n Принцип действия утилизация содержащейся в среде лактозы сдвиг р. Н в кислую сторону изменение цвета колонии

изучение сахаролитических свойств n Питательные среды, методы Среды накопления и первичной дифференциации: ¨ Рессела (глюкоза+лактоза) ¨ Клиглера (глюкоза+лактоза+Н 2 S) ¨ Олькеницкого (глюкоза+лактоза+Н 2 S+мочевина) n Принцип действия ¨ утилизация глюкозы изменение цвета только столбика ¨ утилизация лактозы изменение цвета и столбика и косяка ¨ выработка Н 2 S почернение ¨ утилизация мочевины покраснение

Двухсахарные среды

изучение сахаролитических свойств n Питательные среды, методы Среды Гисса (в коротком ряду Гисса – с лактозой, глюкозой, маннитом, мальтозой, сахарозой) n Принцип действия утилизация содержащегося в среде углевода сдвиг р. Н в кислую сторону изменение цвета среды

Среды Гисса (короткий «пестрый ряд» )

Изучение протеолитических свойств n Питательные среды, методы ¨ желатин ¨ продукция индола ¨ продукция аммиака ¨ продукция Н 2 S n Внешний эффект при положительной пробе ¨ разжижение ¨ покраснение индикаторной бумажки ¨ посинение лакмусовой бумажки ¨ см. среды Клиглера и Олькеницкого

Разжижение желатина

Определение наличия отдельных ферментов n Питательные среды, методы ¨ каталазная активность ¨ оксидазная активность n Внешний эффект при положительной пробе ¨ газообразование при смешивании культуры с перекисью водорода ¨ покраснение индикаторной бумажки

Спасибо за внимание уважаемые студенты !