Презентация к лекции "Физиология бактерий"

Лекция:

Физиология бактерий и методы ее изучения. Генетика бактерий

Лектор: Яковишин Галина Викторовна

План:

• Химический состав бактериальной клетки.
• Типы питания бактерий.
• Транспорт веществ в бактериальную клетку.
• Дыхание бактерий.
• Ферменты бактерий.
• Пигменты бактерий.
• Рост и размножение бактерий.
• Генетика бактерий.
• Питательные среды. Классификация питательных сред.

Физиология бактерий изучает биохимические и энергетические процессы, которые происходят в бактериальной клетке и обеспечивают воссоздания ее структурного материала и энергетические потребности

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ

• азот (8— 15% сухого остатка),
• углерод (45—55% сухого остатка),
• кислород (30% сухого остатка),
• водород (6—8% сухого остатка).

• Вода (75—85%)

Вода - структурный элемент цитоплазмы. Свободная вода является растворителем для кристаллических веществ, источником водородных ионов и участником химических реакций.

• Минеральные вещества бактерий

• Белок. на его долю приходится 50—80% сухого вещества бактериальной клетки Он распределен в цитоплазме, нуклеоиде, цитоплазматической мембране и других клеточных структурах. К белкам принадлежат ферменты, многие токсины.

• Нуклеопротеиды — соединение белка с нуклеиновыми кислотами ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты: ДНК определяет генетические свойства, РНК — биосинтез белка.

• Углеводы — 12—18% сухого вещества. Это основной источник энергии и углерода. Многие структурные компоненты клетки состоят из углеводов (оболочка, капсула, слизистый слой).

• Липиды — составляют ~ 10% сухого остатка. — это запасные вещества, повышающие устойчивость бактерий во внешней среде. Связываясь с белками и углеводами, липиды составляют сложный комплекс, определяющий токсические свойства микроорганизмов.

Совокупность всех биохимических превращений в клетке называется метаболизмом. Есть два основных направления:

Клеточный метаболизм.

Первый обеспечивает синтез сложных клеточных соединений из более простых. Потому он получил название биосинтез, конструктивный метаболизм или анаболизм.

Второй -энергетический метаболизм или катаболизм представляет собой поток реакций, которые сопровождаются накоплением электрохимической энергии, что потом используется клеткой.

Питание бактерий

Под питанием понимают процессы поступления и выведения питательных веществ в клетку и из клетки. Питание в первую очередь обеспечивает размножение и метаболизм клетки .

Среди необходимых питательных веществ выделяют органогены — это восемь химических элементов , концентрация которых в бактериальной клетке превосходит 10 —4 моль.

К ним относят углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, магний, кальций .

Кроме органогенов, необходимы микроэлементы .

Они обеспечивают активность ферментов.

Это цинк, марганец, молибден, кобальт, медь, никель, вольфрам, натрий, хлор .

Для бактерий характерно многообразие источников получения питательных веществ .

В зависимости от источника получения углерода бактерии делят на:

1) аутотрофы (используют неорганические вещества — СО2);

2) гетеротрофы - им требуются экзогенные органические вещества, то есть произведённые другими организмами;

3) миксотрофы -переходная форма между 1 и 2 типом питания, используют наиболее удобный в данных условиях тип питания

3) метатрофы (используют органические вещества неживой природы);

4) паратрофы (используют органические вещества живой природы).

Процессы питания должны обеспечивать энергетические потребности бактериальной клетки.

По источникам энергии микроорганизмы делят на:

• 1) фототрофы (способны использовать солнечную энергию);
• 2) хемотрофы (получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций);
• 3) хемолитотрофы (используют неорганические соединения);
• 4) хемоорганотрофы (используют органические вещества).

Факторами роста бактерий являются витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания , присутствие которых ускоряет рост.

Среди бактерий выделяют :

• 1) прототрофы (способны сами синтезировать необходимые вещества из низкоорганизованных);
• 2) ауксотрофы (являются мутантами прототрофов, потерявшими гены; ответственны за синтез некоторых веществ — витаминов, аминокислот, поэтому нуждаются в этих веществах в готовом виде).

Метаболиты и ионы поступают в микробную клетку различными путями

• Микроорганизмы ассимилируют питательные вещества в виде небольших молекул , поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры могут служить источниками питания только после расщепления их экзоферментами до более простых соединений.
• .

Пути поступления метаболитов и ионов в бактериальную клетку.

• 1. Пассивный транспорт (без энергетических затрат):

• 1) простая диффузия - вещества движутся без образования комплекса с другими молекулами; диффузия происходит за счет разности плотности потока вещества, градиент его концентрации, коэффициент самой диффузии.  2) облегченная диффузия - по градиенту концентрации, с помощью белков-переносчиков вещество слабо диффундирующее через мембрану, транспортируется через нее с помощью подвижных или фиксированных в мембране переносчиков.
• 1) простая диффузия - вещества движутся без образования комплекса с другими молекулами; диффузия происходит за счет разности плотности потока вещества, градиент его концентрации, коэффициент самой диффузии. 
• 2) облегченная диффузия - по градиенту концентрации, с помощью белков-переносчиков вещество слабо диффундирующее через мембрану, транспортируется через нее с помощью подвижных или фиксированных в мембране переносчиков.
• 2. Активный транспорт - транспорт с помощью переносчиков (подвижных и эстафетной передачи), 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 .

ДЫХАНИЕ БАКТЕРИЙ

• Облигатные (строгие) аэробы развиваются при наличии в атмосфере 20% кислорода

• Облигатные анаэробы — бактерии, для которых наличие молекулярного кислорода является губительным

• Факультативные анаэробы могут размножаться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода (большинство патогенных и сапрофитных микробов)

ДЫХАНИЕ БАКТЕРИЙ

• Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем количестве кислорода, его высокая концентрация хотя и не убивает бактерии, но задерживает их рост), некоторые микробы нуждаются в повышенном содержании углекислого газа (капнофилы)

• Аэротолерантные бактерии способны расти в присутствии кислорода, но не использовать его в качестве источника энергии. Энергию они получают исключительно с помощью брожения

ФЕРМЕНТЫ БАКТЕРИЙ

Ферментный состав микроорганизмов является постоянным, а различные виды микробов четко различаются по набору ферментов.

Биохимические свойства бактерий определяются составом ферментов:

• сахаролитические –расщепление углеводов;
• протеолитические – расщепление белков,
• липолитические – расщепление жиров,

и являются важным диагностическим признаком при идентификации микроорганизмов

ПИГМЕНТООБРАЗОВАНИЕ

происходит при хорошем доступе кислорода и определенном составе питательной среды. Этот признак генетически детерминирован, поэтому его используют в качестве дифференцирующего критерия.

Бактерии могут образовывать пигменты разного цвета:

• красный — Serratia marcescens
• золотистый — Staphilococcus aureus
• синий —Pseudomonas aeruginosa

Пигменты бактерий

- защищают их от природной

ультрафиолетовой

радиации,

- участвуют в процессах

дыхания, реакциях синтеза,

- обладают антибиотическим

действием.

S. marcescens

P. aeruginosa

ПИГМЕНТООБРАЗОВАНИЕ

у бактерий

РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

• Большинство прокариот размножаются бинарным делением пополам, реже почкованием и фрагментацией.

• Бактерии, как правило, характеризуются высокой скоростью размножения. Время деления клетки  у различных бактерий колеблется довольно в широких пределах: от 20 минут у кишечной палочки до 14 часов у микобактерий туберкулеза.

РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

• Под ростом понимают координированное воссоздание бактериальных структур и соответственно увеличение массы микробной клетки.

• Размножение - это способность микробов к самовоспроизведению, при этом увеличивается количество особей в популяции на единицу объема среды

РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

• Латентная фаза
• Фаза логарифмического роста
• Стационарная фаза
• Фаза отмирания

Начальная или фаза лага

• охватывает промежуток между инокуляцией бактерий и достижением наивысшей скорости их деления. В этот период происходит адаптация бактерий к условиям существования. В клетке в 8-12 раз растет количество РНК, увеличивается концентрация ферментов. Длительность фазы 1-2 часа.

Экспоненциальная (логарифмическая) фаза

• характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток и роста их количества в геометрической прогрессии. Она зависит от возраста микробов и состава среды. ПР: энтеробактерии делятся каждые 15-30 мин, стрептококки - 30 мин, а почвенные нитробактерии и возбудители туберкулеза - 5-18 час.

Стационарная фаза

• наступает тогда, когда число клеток перестает увеличиваться. Наступает равновесие между количеством живых микробов и тех, что отмирают. Этому способствует высокая плотность популяции, дефицит питательных веществ в среде, низкое парциальное давление кислорода, накопления токсичных продуктов обмена. Однако количество биомассы в этот период достигает наивысшего уровня, потому концентрацию клеток помечают как максимальную ( М- ) концентрацию, а величину биомассы - сроком выход или урожай . Этот признак является специфическим и характерным для каждого вида бактерий. Длится фаза 6-7 год.

Фаза отмирания

• Длится до 10 часов и сопровождается резким уменьшением числа живых клеток. Этому способствуют значительный дефицит питательных веществ в среде, нагромождения кислот, аутолиз под воздействием собственных ферментов.

• Время, на протяжении которого происходит деление микроба, называется временем генерации

Генетика бактерий

Бактерии- удобный материал для генетики. Их отличает:

• - относительная простота  генома  (совокупности нуклеотидов хромосом);
• -  гаплоидность  (один набор генов), исключающая доминантность признаков;
• -  различные интегрированные в хромосомы и обособленные  фрагменты ДНК ;
• - половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;
• - легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Генетический материал бактерий.

• 1. Ядерные структуры бактерий- хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали- от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами- в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

• 2. Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами- транспозонами и инсервационными (вставочными) или IS- последовательностями.

• Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными полезными свойствами. По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.

Классификация БАКТЕРИЙ по температурным оптимумам

Микроорга-

Т е м п е р а т у р н ы й

оптимум

низмы

Термофилы

максимум

50-60  С

Мезофилы

30-37  С

минимум

Психрофилы

75  С

43-45  С

45  С

10-15  С

15-20  С

25-30  С

0-5  С

КОЛОНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ –

популяция микробных клеток одного вида, сформировавшаяся в результате деления одной микробной клетки в условиях культивирования на плотной питательной среде при оптимальной температуре

ФОРМЫ КОЛОНИЙ

ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ субстраты, состоящие из компонентов, обеспечивающих необходимые условия для культивирования микроорганизмов

Питательные среды

• Питательные среды – искусственные (или естественные) сбалансированные смеси питательных веществ, в определенных концентрациях и сочетаниях, способствующие росту и размножению микроорганизмов .

Требования к ПС:

• должны быть стерильными ;
• Должны содержать необходимые питательные вещества , соли, ростовые факторы ;
• Должны иметь оптимальную рН ;
• Должны быть влажными .

Классификация ПС:

• Простые и сложные ;

• Жидкие и плотные ;

• Естественные, искусственные, синтетические ;

• Основные и специальные – элективные (избирательные) и дифференциально-диагностические

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СРЕДЫ

используют для определения видовой принадлежности исследуемого микроба, основываясь на особенностях его обмена веществ.

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ .

В таких средах созданы благоприятные условия для развития одного вида микроорганизма, размножение всех остальных видов микробов угнетается .

Некультивируемые формы бактерий (НФБ)

• Имеются вегетативные (не споровые) формы грамотрицательных микробов , сохраняющие жизнеспособность без размножения.
• Они получили на з вание НФБ .
• При в исследуемом материале НФБ их не удается культивировать на питательных средах.
• Имеют эпидемиологическое значение, являясь «невидимками», сохранящими жизнеспособность в течение многих лет.
• Обнаружение НФБ – полимеразная цепная реакция (ПЦР)

Контрольные вопросы:

• 1. Основные компоненты питательных сред для культивирования
• микроорганизмов.
• 2. Дифференциально-диагностические среды. Для чего их применяют?
• 3. Какие вещества используют для уплотнения сред
• 4. Влияние аэрации на процесс культивирования микроорганизмов.
• 5. Культивирование аэробных микроорганизмов.
• 6. Культивирование анаэробных микроорганизмов.
• 7. Периодическое и непрерывное культивирование.