Бактериялардың тыныс алуы
Бактерия жасушасындағы энергия АТФ түрінде кездеседі. Хемоорганотрофты бактерияларда энергияны АТФ түрінде алу реакциялары, фосфорилдеу реакциясымен байланысты тотығу-тотықсыздану реакциялары болып табылады. Осы реакцияларда тотыққан көміртегі жасушадан СО2 күйінде бөлінеді. Энергияны алу әдістеріне байланысты метаболизмнің бірнеше түрлері болады: тотығу немесе тыныс алу, ашыту немесеферменттік және аралас.
Энергия және көміртегі көзі ретінде глюкоза немесе басқа гексоздарды пайдаланғанда тотығудың бастапқы этаптары тотығатынтүрінде де,ашыту түрінде де ортақ болып келеді. Бұған глюкозаны пируватқа айналдыру жатады.
Тотығу метаболизмі.
Тотығу метаболизміне қабілетті бактериялар энергияны тыныс алу жолымен алады.
Тыныс алу – тотығу кезінде фосфорилденіп орайласқан тотығу–тотықсыздану реакцияларынан энергия алу, бұл кезде электрондардың донорлары органикалық (органотрофтарда) және бейорганикалық (литотрофтарда) қосылыстар, ал акцепторлары – тек қана бейорганикалық қосылыстар бола алады.
Тотығу метаболизмі бар бактерияларда электрондар немесе сутегі –Н+ акцепторы молекулалық оттегі болып табылады. Бұл жағдайда пируват С2 дейін толық тотығады. Биосинтетикалық процестер және сутек атомдары үшкарбондар циклы негізін салушыны жеткізіп беруші қызметін атқарады, ал оның барлығын молекулалық оттегіге күрделі мультиферментті жүйесі бар – тыныстық тізбек айналдырады. Бактериялардың тыныстық тізбегі ЦПМ-да және жасуша ішілік мембраналық құрлымдарда орналасады.
Тыныс алу тізбегіндегі АТФ-тың құрылуы хемоосмостық процеспен байланысты. ЦПМ-дағы тасымалдаушылардың ерекше бағытталуы сутегінің ішкі мембранадан сыртқы беткейіне беріліп, соның нәтижесінде мембраналық потенциалда байқалатын сутегі атомдарының градиенттері құрылады. Мембраналық потенциалдың энергиясы АТФазамен мембранаға шоғырланған АТФ-тың синтезделуіне жұмсалады.
Прокариоттар көміртегіден басқа да органикалық қосылыстарды, атап айтқанда ақуыздарды, СО2 және Н2О-ға дейін толық тотықтырып энергия көзі ретінде пайдалана алады.
Аминқышқылдары мен ақуыздар да энергетикалық ресурстар ретінде іске асырылуы мүмкін. Оларды пайдалану бірінші кезекте дайындық сипаттағы тиісті ферменттік өзгерістермен байланысты. Алдымен ақуыздар жасуша сыртында протеолиттік ферменттермен пептидтерге дейін ыдыратылады, оларды жасуша жұтып алып, жасушаішілік пептидазалар аминқышқылдарына дейін ыдыратады.
Аммонификациялау процесі «шіру» процесі ретінде де белгілі, бұл кезде жағымсыз спецификалық иісі бар, біріншілік аминдер құрайтын заттар жинақталады.
Шіріктік бактериялар ақуыздың СО2, NH3, H2S-ке дейін минерализациялануын жүзеге асырады. Шіріктік бактерияларға Proteus, Pseudomonas, Bacillus cereus жатады.
Ашыту (ферменттік) метаболизмі.
Ферментация немесе ашыту – субстраттан бөлініп алынған сутегіні органикалық қосылыстарға тасымалдау кезінде энергия алу процесі.
Ашыту процесіне оттегі қатыспайды. Тотыққан органикалық қосылыстар ортаға бөлініп жинақталады. Көмірсулар, аминқышқылдары (ароматталғаннан басқа), пуриндер, пиримидиндер, көпатомды спирттер ферменттенеді. Ароматикалық көмірсулар, стероидтар, каротиноидтар, майлы қышқылдар аши алмайды. Бұл заттар тек қана оттегі бар ортада ғана ыдырап тотыға алады, ал анаэробты жағдайда бұлар тұрақты. Қышқылдар, газдар, спирттер ашыту өнімдері болып табылады.
Спирттік ашыту. Негізінен ашытқы саңырауқұлақтарда кездеседі. Соңғы өнімі – этанол мен СО2. Глюкозаның ашытылуы ФДФ-жолмен анаэробты жағдайда өтеді. Оттегі түсе бастаған жағдайда ашыту процесі әлсіреп, тыныға бастайды. Спирттік ашытуды оттегімен басуды Пастер эффектісі деп атайды.
Спирттік ашыту тамақ өндірісінде (нан жабуда, шарап жасауда) қолданылады.
Сүтқышқылды ашыту. Сүтқышқылды ашытудың екі түрін ажыратады: гомоферменттік және гетероферменттік.
Гомоферменттік түрінде глюкозаны ыдырату ФДФ-жолмен жасалынады. Гомоферменттік сүтқышқылды ыдырату S. pyogenes, E.faecalis, S. salivarius кейбір Lactobacillus-тің (l. dulgaricus, L.lactis) қатысуымен өтеді.
Гетероферменттік сүтқышқылды ашыту ФДФ-жолдарының альдолаза және триозофосфатизомераза ферменттері жоқ бактерияларда болады. Глюкозаның ыдырауы ПФ-жолымен өтіп фосфоглицеринді альдегид түзіледі, содан кейін ол ФДФ-жолдары бойынша пируватқа айналып, соңынан лактатқа тотықсызданады. Ашытудың бұл түрінің қосымша өнімдері этанол мен сірке қышқылы болады. Гетероферментті сүтқышқылды ашыту Lactobacillus және Bifidobacterium тұқымдастығының өкілдерінде кездеседі.
Сүт қышқылды бактериаларды сүт өндірістерінде түрлі ашыған өнімдерді алуға және де антибиотиктер дайындауға кеңінен пайдаланады.
Құмырсқақышқылды (аралас) ашыту. Enterobacteriaceae және Vibriоnaceae туыстастарының өкілдерінде кездеседі. Глюкоза ФДФ-жолдарымен, ал глюконат КДФГ-жолдарымен ыдырайды.
Анаэробты жағдайда бөлінетін ашыту өнімдеріне байланысты процестің екі түрін ажыратады:
1. Бір жағдайда пируват ыдырау нәтижесінде ацетилкофермент және құмырсқа қышқылы бөлініп, ал ол өз кезегінде көміртегінің қосқышқылы мен молекулалық сутегіне ыдырауы мүмкін. Тізбекті реакцияның арқасында түзілетін ашытудың басқа өнімдері этанол, янтар және сүтқышқылы болып табылады. Көп мөлшерде қышқыл түзілгенін күшті қышқылды ортада түсін өзгертетін индикатор метил-рот көмегімен анықтауға болады.
2. Ашытудың басқа түрінде бірқатар қышқылдар түзіледі, бірақ ең басты өнімдер ацетоин және 2,3-бутандиол болып табылады. Ацетоин пируваттың екі молекуласынан құрылып, соңынан екі есе декарбоксилденеді. Тотыққан кезде ацетоиннан 2,3-бутандиол түзіледі. Осы заттар ά-нафтолмен сілтілі ортада әрекеттескен кезде бурыл түс береді, бұл құбылысты бактерияларды идентификациялауда қолданылатын Фогес-Проскауер реакциясын қою арқылы анықтайды.
Майқышқылды ашыту. Май қышқылы, бутанол, ацетон, изопропанол, және бірқатар органикалық қышқылдар, атап айтқанда сірке, капрон, валериан, пальмитин қышқылдары қант ыдыратқыш қатаң анаэробтардың көміртегіні ашыту өнімдері болып табылады. Осы қышқылдар спектрі анаэробтарды идентификациялауда сұйықгазды хромотография көмегімен экспресс-әдіс ретінде қолданылады.
Ақуыздардың ферменттелуі. Егер ашыту зат алмасуы бар бактериялар үшін энергия көзі ақуыздар болса, бұндай бактерияларды пептолитикалық деп атайды. Клостридиялардың кей түрлері пептолитикалық болып табылады, ол: C. histolyticum, C. botulinum. Пептолитикалық бактериялар ақуыздарды гидролиздеп, аминқышқылдарды ашытады.Көптеген аминқышқылдар басқалармен қосылып ашиды, бұл кезде кейбіреулері донор орнында болса, ал басқалары – сутегі акцепторлары болады. Донор-аминқышқылы кетоқышқылға дезаминделіп тотықтық декарбоксилдену нәтижесінде май қышқылына айналады.
Анаэробтық тыныс алу. Кейбір бактериялар сутегінің ақырғы акцепторы ретінде нитратты пайдалану қабілетіне ие. Нитратты тотықсыздандыру екі жолмен өтеді:
1. Аммонификация кезінде нитрат аммиакқа айналады;
2. Денитрификация кезінде нитраттың тотықсыздануы молекулалық азот немесе азоттың ашытқысына дейін жүреді.Бұл процесс нитратредуктаза ферментімен байланысты.
Cульфаттық тыныс алу. Анаэробты тыныс алуда сульфатты сутегінің соңғы акцепторы ретінде қолдануға тек қана екі топқа жататын бактериялар қабілетті: Desulfovibrio, Desulfotomaculum. Бұл бактериялар қатаң анаэробтар болып табылады, олар донор ретінде молекулалық сутегіні қолданады, сол себептен оларды хемолитотрофтарға жатқызады. Бұл бактериялар табиғатта күкіртті сутегіні түзуде жетекші орын алады.
Табиғатта кеңінен тараған оттегі бос және байланысқан күйде кездеседі. Ол жасушада, сутегі мен органикалық қосылыстармен байланысқан күйде кездеседі. Ол атмосферада бос молекулярлы күйде кездесіп, жалпы көлемнің 21% үлесін құрайды.
Оттегіге деген қатысы бойынша және энергия алу барысында оттегіні қолдануларына байланысты микроорганизмдер 3 топқа бөлінеді: облигатты (нағыз) аэробтар, облигатты анаэробтар, факультативті анаэробтар.
Облигатты аэробтар. Өсуі және көбеюі тек қана оттегі болған жағдайда өтеді. Оттегі оттегілік тыныс алу жолымен энергия алу үшін қолданылады.
Энергияны оксидативтік зат алмасу кезінде алады, цитохромоксидаза катализдейтін реакцияларда оттегіні терминальды акцептор ретінде пайдаланады.
Облигатты аэробтарды ауа атмосферасындағы парциалды қысымда өсетін қатаң аэробтар және төмен парциальды қысымда өсетін микроаэрофилдер деп бөледі.
Бұл микроаэрофилдердің күшті тотықтырғыштармен жанасқанда белсенділігі жойылатын кейбір ферменттерінің (мысалы гидрогеназа ферменті) болуымен байланысты төмен парциалдық қысымда ғана олардың ферменттік белсенділіктері артады.
Облигатты анаэробтар.Энергияны алу үшін оттегіні қолданбайды. Зат алмасу оларда –ашыту арқылы жүреді. Екі түрінде ғана сульфатты тыныс алу бар, олар хемолитотрофтарға жататын Desulfovibrio, Desulfotomaculum. Облигатты анаэробтар екі топқа бөлінеді: қатаң анаэробтар және аэротолеранттылар.
Қатаң анаэробтарға молекулалық оттегі улы болады, ол микроорганизмдерді өлтіреді немесе өсуін тежейді.
Қатаң анаэробтар энергияны майқышқылды ашыту жолымен алады. Қатаң анаэробтарға мысалы кейбір клостридиялар (C. botulinum, C tetani), бактероидтар жатады.
Аэротолерантты микроорганизмдер энергия алуда оттегіні қолданбайды, бірақ оттегі бар ортада тіршілік ете алады. Бұл топқа гетероферменттік сүтқышқылды ашыту жолымен энергия алатын сүтқышқылды бактериялар жатады.
Факультативті анаэробтар. Оттегі бар әрі оттегі жоқ ортада да өсіп-өнуге қабілетті. Оларда зат алмасудың аралас түрі бар. Энергияны алу процесі оттегімен тыныстану кезінде оттегіні пайдалану арқылы, ал оттегі жоқ жерде ашытуға көшу арқылы энергия алуға қабілетті. Бактериялардың бұл тобына анаэробты нитратты тыныс алу тән.
Микроорганизмдердің оттегіге түрлі физиологиялық қатынасы оттегі атмосферасында тіршілік етуге мүмкіндік беретін ферменттік жүйелерінің болуымен байланысты. Оттегі атмосферасында өтетін тотығу процестері кезінде, флавопротеидтер тотыққанда түрлі улы заттар: сутектің асқын тотығы және оттегінің ашып кеткен радикалы, қосақталмаған электроны бар қосындылар түзілетіндігін атап өткен жөн. Бұл қосындылар қанықпаған май қышқылдарының және ақуыздардың SH- тобының асқынтотықтануын қоздырады.
Оттегінің улы әсерін бейтараптау үшін, ондай атмосферада тіршілік ете алатын микроорганизмдердің қорғаныс механизмдері болады. Бұндай бактерияларда сутектің асқын тотығы каталаза ферментімен су және молекулалық оттегіге ыдыратылады.
Қатаң анаэробтарда каталаза да, пероксидаза да болмайды. Бірақ көптеген қатаң анаэробтарда супероксиддисмутаза ферменті кездеседі. Осы ферменттің көмегімен олар оттегіге төзімді болады. Кейбір қатаң анаэробтар (Bacteroides, Fusobacterium) молекулалық оттегінің аз мөлшеріне де төзімсіз болады, ал Clostridium тұқымдастығының кейбір өкілдері оттегі атмосферасында тіршілік ете алады. Қатаң анаэробтарды дақылдандыру үшін атмосфералық оттегіні толық шығарып тастауға мүмкіндік беретін жағдайлар жасалынады: арнайы құралдарды қолдану, анаэростаттар мен анаэробты бокстар, қоректік орталарға оттегіні редукциялайтын заттар қосу, мысалы натридің тиогликолятын, немесе оттегіні сіңірушілерді пайдалану.
Оректік орталар
Бактерияларды дақылдандыру үшін бірқатар шарттарды сақтау қажет.
1. Құнды қоректік ортаның болуы. Кез-келген қоректік орта құрамының күрделілігі мен пайдалану мақсатына қарамастан негізі судан, энергия мен көмірсутегінің органикалық көзінен, тұрақты рН пен осмостық қысымға ие болуы қажет.
2. Дақылдандыру температурасы. Көбею жылдамдығына температура әсерін тигізеді. Температураға бактериялар әрқалай жауап береді:
- мезофилдер 20-400С температуралық аралықта көбейеді. Адамдарда ауру тудыратын бактериялардың көпшілігі мезофилдерге жатады;
-термофилдер 40-600С температуралық диапазонда өседі. Термофилдерге актиномицеттер, кейбір споратүзуші бактериялар жатады;
- психрофилдер 0-200С температуралық аралықта көбейеді.
3. Дақылдандыру атмосферасы. Қатаң аэробтар өсіп көбею үшін оттегі қажет. Аэробтар Петри табақшасындағы агардың бетінде немесе сұйық ортаның жұқа беткі қабатында жақсы өседі. Қатаң аэробтардың сұйық ортаның терең деңгейлерінде өсуін қамтамасыз ету үшін оттегі бүкіл қоректік ортаға диффузды түрде таралуы қажет. Бұған қоректік ортаны үздіксіз араластырып немесе сілкіп отыру, атап айтқанда аэрациялау, арқылы қол жеткізіледі. Аэрациялау арнайы аппаратттармен – сілкілегішпен іске асырылады.
Факультативті анаэробтарды дақылдандыру үшін жоғарыда аталып кеткен әдістерді қолданады, себебі оттегі бар жерде оларға энергетикалық қамтамасыз етуде оксидативті метаболизм ферментациядан тиімді болады. Микроаэрофилдер оттегінің парциалдық қысымы төмен жағдайда көбейеді. Бұған ауадағы СО2-нің парциалдық қысымы 0,03%-ға қарағанда дақылдандыру атмосферасындағы СО2 парциалдық қысымын 1-5% концентрациясына көтеру арқылы қол жеткізіледі. Бұл үшін арнайы СО2-инкубаторлар қолданылады, немесе себінділерді жанып тұрған шырағдан қойылған эксикаторларға орналастырады.
Облигатты анаэробтар өсу және көбею үшін ауадағы оттегінің ортаға түспеуін талап етеді. Бұған келесі шаралар арқылы қол жеткізіледі:
- қоректік орталарға оттегіні редуциялайтын заттар қосу арқылы: тиогликоль қышқылын, аскорбин қышқылын, цистеин, сульфидтер;
- сұйық қоректік орталарды қайната отырып оттегіден құтылып, сонан-соң орта құйылған ыдысты резинка тығынмен жауып қою арқылы;
- сілтілі пирогаллол және тағы да басқа оттегіні сіңірушілерді пайдаланып, герметикалық жабылатын ыдыстарға - «газпактарға» салып қою арқылы. Бұл әдіс (Gaspack) аэротолерантты бактерияларды дақылдандыруда қолданылады;
- ауадағы оттегіні механикалық жомен ығыстырып, орнына ыдысты инертті газбен толтыру арқылы (бұл мақсатта анаэростаттар мен анаэробты бокстар қолданылады).
Хемо – және автотрофты бактерияларды дақылдандыру үшін СО2-мен қанықтырылған атмосфера жасалынады.
4. Дақылдандыру уақыты генерациялау уақытына байланысты. Бакатериялардың көпшілігі көрнекті өсу беру үшін 18-48 сағат аралығында дақылданады. Көкжөтел қоздырғышын дақылдандыру үшін 5 тәулік керек, ал M. tuberculosis-ті дақылдандыру үшін 3-4 апта қажет.
5. Жарықтандыру. Фототрофты бактерияларды өсіру үшін жарық қажет. Шартты-патогенді бактериялардың кей түрлері жарықтандыруға байланысты пигмент түзеді, оны идентификациялау кезінде пайдаланады.
Абсолюттік жасуша ішілік паразиттерді дақылдандыру (оған Rickettcia, Ehrlichia, Coxiella, Chlamidia тұқымдастығының бактериялары жатады) жасушалар дақылдарында немесе жануарлар мен буынаяқтылардың организмінде, сонымен қатар тауық эмбриондарында (эрлихиялардан басқа) өсіру арқылы іске асырылады. Тауық эмбриондарын гетеротрофтық деңгейі жоғары бактерияларды дақылдандыруда да қолданады, мысалы: Borrelia мен Legionella тұқымдастығының бактериялары.
Өндірістік жағдайларда бактериялар мен саңырауқұлақтардың биомассасын (антибиотиктер, вакциналар мен диагностикалық препараттар жасау мақсатында қолдануға алу үшін) дақылдандыру сыйымдылығы әртүрлі арнайы аппараттарда (ферментерлерде) микробтардың өсу және көбеюінің ең тиімді параметрлерін қатаң түрде сақтау арқылы іске асырылады.
Тақырыбы: Бактериялардың биохимиялық белгілері. Ферментативті
белсенділікті оқу (зерттеудің 3-ші күні). Бактериялардың
идентификациясы. Саңырауқұлақтар, құрылысы, жіктелуі және дақылдандыру
Бактерия жасушаның барлық метаболиттік реакциялары негізінде 6 сыныпқа жататын ферменттер арқылы атқарылады: оксиредуктазалар, трансферазалар, гидролазалар, лигазалар, лиазалар, изомеразалар.Бактерия жасушасы түзетін ферменттер жасуша ішілік эндоферменттер немесе қоршаған ортаға бөліп шығарылатынэкзоферменттер деп бөлінеді. Экзоферменттер жасуша ішіне келіп түсетін көміртегі мен энергияны сырттан тасымалдауда үлкен орын алады. Гидролазалардың көпшілігі экзоферменттер болып табылады, олар қоршаған ортаға бөлініп ірі молекулалы пептидтерді, полисахарид пен майларды жасуша ішіне енуге қабілетті мономерлер мен димерлерге дейін ыдыратады. Экзоферменттердің бірқатары мысалы гиалуронидаза, коллагеназа және басқалары агрессиялық ферменттер болып келеді. Ферменттердің кейбіреулері бактерия жасушасының периплазматикалық кеңістігінде орналасады. Олар заттарды бактерия жасушасына тасымалдауға қатысады. Бактерияның ферментативтік спектрі тұқымдастық пен туыстастықты және кейбір жағдайларда түрді көрсететін таксономиялық белгіге жатады. Сондықтан ферментативтік белсенділік спектрін анықтауды бактерияның таксономиясын белгілеуде қолданады. Экзоферменттерді диференциалдық-диагностикалық орталарда анықтауға болады, сондықтан бактерияларды идентификациялау үшін дифференциалдық-диагностикалық орталар жиынтықтарынан тұратын арнайы тест-жүйелер жасалынған.