Глава 4. физиология и биохимия микроорганизмов

Физиологические и биохимические особенности микроорганизмов положены в основу систематики. Они важны для изучения механизмов патогенного действия, культивирования, дифференцировки и идентификации отдельных микроорганизмов, а для разработки биотехнологии производства вакцин, антибиотиков и других биологически активных продуктов.

Физиология изучает жизненные функции микроорга­низмов: питание, дыхание, рост и размножение. В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ (метаболизм).

Сущность обмена веществ составляют два противопо­ложных и вместе с тем взаимосвязанных процесса: ас­симиляция (анаболизм) и диссимиляция (катабо­лизм).

В процессе ассимиляции происходит усвоение пита­тельных веществ и использование их для синтеза клеточ­ных структур. При процессах диссимиляции питательные вещества разлагаются и окисляются, при этом выделяется энергия, необходимая для жизни микробной клетки. В результате распада питательных веществ происходит рас­щепление сложных органических соединений на более простые, низкомолекулярные. Часть из них выводится из клетки, а другие снова используются клеткой для биосин­тетических реакций и включаются в процессы ассимиля­ции. Все процессы синтеза и распада питательных веществ совершаются с участием ферментов.

Особенностью микроорганизмов является интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна микробная клетка может переработать такое количе­ство питательных веществ, которое в 30—40 раз больше ее массы.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БАКТЕРИЙ

Для понимания процессов обмена веществ необходимо знать химический состав микроорганизмов. Микроорганиз­мы содержат те же химические вещества, что и клетки всех живых организмов.

Важнейшими элементами являются органогены (уг­лерод, водород, кислород, азот), которые используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов и липидов. Микроорганизмы содержат также зольные или минеральные элементы. Большая часть их химически связана с органическими веществами, остальные присутствуют в клетке в виде солей.

Рис.27 Химический состав бактерий.

В количественном отношении самым значительным компонентом клетки является вода, которая составляет 75—85% на долю сухого вещества, которое состоит из органических (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды) и минеральных соединений, приходится 15—25%.

Вода. Значение воды в жизнедеятельности клетки велико. Все вещества поступают в клетку с водой, с ней же удаляются продукты обмена. Вода в микробной клетке находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение, но большая часть ее связана с различными химическими компонентами клетки (белками, углеводами, липидами) и входит в состав клеточных структур.

Свободная вода принимает участие, а химических реак­циях, протекающих в клетке, является растворителем различных химических соединений, а также служит дис­персной средой для коллоидов. Содержание свободной воды в клетке может изменяться в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста. Так, у споровых форм бактерий значительно меньше воды, чем у вегетативных клеток. Наибольшее количество воды отмечается у капсульных бактерий.

Белки (50—80% сухого вещества) определяют важней­шие биологические свойства микроорганизмов. Это про­стые белки—протеины и сложные — протеиды. Большое значение в жизнедеятельности клетки имеют нуклеопротеиды — соединение белка с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК). Кроме нуклеопротеидов, в микробной клетке содержатся в незначительных количествах липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды.

Белки распределены в цитоплазме, нуклеоиде, они входят в состав структуры клеточной стенки. К белкам принадлежат ферменты, многие токсины (яды микроорга­низмов).

Рис. 28 Содержимое бактериальной клетки.

Видовая специфичность микроорганизмов зависит от количественного и качественного состава белковых веществ.

Нуклеиновые кислоты в микробной клетке выполняют те же функции, что и в клетках животного происхожде­ния. ДНК содержится в ядре (нуклеоиде) и обусловливает генетические свойства микроорганизмов. РНК принимает участие в биосинтезе клеточных белков, содержится в ядре и цитоплазме. Общее количество нуклеиновых кис­лот колеблется от 10 до 30% сухого вещества микробной клетки и зависит от ее вида и возраста.

Углеводы (12—18% сухого вещества) используются микробной клеткой в качестве источника энергии и угле­рода. Из них состоят многие структурные компоненты клетки (клеточная оболочка, капсула и другие). Углеводы входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной для грамположительных бактерий.

Клетки микроорганизмов содержат простые (моно- и дисахариды) и высокомолекулярные (полисахариды) угле­воды. У ряда бактерий могут быть включения, по химиче­скому составу напоминающие гликоген и крахмал, они играют роль запасных питательных веществ в клетке. Углеводный состав различен у разных видов микроорга­низмов и зависит от их возраста и условий развития.

Липиды (0,2—-40% сухого веществ) являются необхо­димыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, они участвуют в энергетическом обме­не. В некоторых микробных клетках липиды выполняют роль запасных веществ.

Липиды состоят в основном из нейтральных жиров, жирных кислот, фосфолипидов. Общее количество их зависит от возраста и вида микроорганизма. Например, у микобактерий туберкулеза количество липидов достигает 40%, что обусловливает устойчивость этих бактерий к воздействию факторов внешней среды.

В клетках микроорганизмов липиды могут быть связа­ны с углеводами и белками, составляя сложный комплекс, определяющий токсические свойства микроорганизмов.

Минеральные вещества — фосфор, натрий, калий, маг­ний, сера, железо, хлор и другие — в среднем составляют —14% сухого вещества.

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фос­фолипидов, многих ферментов, а также АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), которая является аккумулято­ром энергии в клетке. Натрий участвует в поддержании осмотического давления в клетке. Железо содержится в дыхательных ферментах. Магний входит в состав рибонуклеата магния, который локализован на поверхности грамположительных бактерий.

Для развития микроорганизмов необходимы микроэлементы, содержащиеся в клетке в очень малых количествах. К ним относят кобальт, марганец, медь, хром, цинк, молибден и многие другие. Микроэлементы участвуют в синтезе некоторых ферментов и активиру­ют их. Соотношение отдельных химических элементов в микробной клетке может колебаться в зависимости от вида микроорганизма, состава питательной среды, харак­тера обмена и условий существования во внешней среде.

ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ

Всем микроорганизмам для осуществления процессов питания, дыхания, размножения необходимы питательные вещества.

В качестве питательных веществ и источников энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения, для нормальной жизнеде­ятельности им требуются также микроэлементы и факто­ры роста.

Процесс питания микроорганизмов имеет ряд особенно­стей: во-первых, поступление питательных веществ проис­ходит через всю поверхность клетки; во-вторых, микро­бная клетка обладает исключительной быстротой метабо­лических реакций; в-третьих, микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся услови­ям среды обитания. Разнообразие условий существования микроорганизмов обусловливает различные типы питания.

Типы питания определяются по характеру усвоения углерода и азота. Источником других органогенов — водорода и кислорода служит вода. Вода необходима микроорганизмам и для растворения питательных ве­ществ, так как они могут проникать в клетку только в растворенном виде.

По усвоению углерода микроорганизмы делят на два типа: автотрофы и гетеротрофы

Автотрофы (от греч. autos —сам, trophe — питание) способны синтезировать сложные органические вещества из простых неорганических соединений. Они могут ис­пользовать в качестве источника углерода углекислоту и другие неорганические соединения углерода. Автотрофами являются многие почвенные бактерии (нитрифицирующие, серобактерии и др.).

Гетеротрофы (от греч. heteros —другой, trophe — питание) для своего роста и развития нуждаются в готовых органических соединениях. Они могут усваивать углерод из углеводов (чаще всего глюкозы), многоатомных спиртов, органических кислот, аминокислот и других органических веществ.

Гетеротрофы представляют обширную группу микро­организмов, среди которых различают сапрофитов и паразитов.

Сапрофиты (от греч. sapros — гнилой, phyton — растение) получают готовые органические соединения от отмерших организмов. Они играют важную роль в разло­жении мертвых органических остатков, например, бакте­рии гниения и др.

Рис.29. Плесневый гриб-сапрофит.

Паразиты (от греч. parasitos — нахлебник) живут и размножаются за счет органических веществ живой клет­ки растений, животных или человека. К таким микроорга­низмам относятся риккетсии, вирусы и некоторые про­стейшие.

По способности усваивать азот микроорганизмы делят­ся также на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Аминоавтотрофы для синтеза белка клетки используют молекулярный азот воздуха (клубеньковые бактерии, азотобактер) или усваивают его из аммонийных солей. Аминогетеротрофы получают азот из органи­ческих соединений — аминокислот, сложных белков. К ним относят все патогенные микроорганизмы и большин­ство сапрофитов.

По источникам энергии среди микроорганизмов разли­чают фототрофы, использующие для биосинтетических реакций энергию солнечного света (пурпурные серобакте­рии) и хемотрофы, которые получают энергию за счет окисления неорганических веществ (нитрифицирующие бактерии и др.) и органических соединений (большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды).

Однако резкой границы между типами питания микро­бов провести нельзя, так как есть такие виды микроорга­низмов, которые могут переходить от гетеротрофного типа питания к автотрофному, и наоборот.

В настоящее время для характеристики типов питания введена новая терминология: гетеротрофы называют ор­ганотрофами, а автотрофы — литотрофами (от греч. litоs —камень), так как подобные микроорганизмы способны расти в чисто минеральной среде.

Факторы роста.

Микроорганизмы для своего роста и размножения нуждаются в особых веществах, которые сами синтезировать не могут и должны получать их в готовом виде. Эти вещества называют факторами роста, и нужны они микробным клеткам в небольших количествах. К ним относят различные витамины, некоторые аминокис­лоты (необходимые для синтеза белка), пуриновые и пиримидиновые основания (идущие на построение нуклеиновых кислот) и др. Многие факторы роста входят в состав различных ферментов и играют роль катализаторов в биохимических процессах.

Знание потребностей микроорганизмов в питательных веществах и факторах роста очень важно, в частности, для создания питательных сред, применяемых для их выращивания.

Транспорт питательных веществ. Питательные веще­ства могут проникать в цитоплазму микробных клеток только в виде небольших молекул и в растворенном виде.

Сложные органические вещества (белки, полисахариды и др.) предварительно подвергаются воздействию фермен­тов, выделяемых микробной клеткой, и после этого становятся доступными для использования. Транспорт питательных веществ в клетку и выход из нее продуктов метаболизма осуществляется, в основном, через цитоплазматическую мембрану.

Питательные вещества проникают в клетку нескольки­ми способами:

1. Пассивная диффузия, т. е. перемещение веществ через толщу мембраны, в результате чего выравни­ваются концентрация веществ и осмотическое давление по обе стороны оболочки. Таким путем могут проникать питательные вещества, когда концентрация в среде значи­тельно превышает концентрацию веществ в клетке.

2. Облегченная диффузия — проникновение питательных веществ в клетку с помощью активного перено­са их особыми молекулами-переносчиками, называемыми пермеазами. Это вещества ферментной природы, которые локализованы на цитоплазматической мембране и обладают специфичностью. Каждая пермеаза адсорбирует соответствующее питательное вещество на наружной стороне цитоплазматической мембраны, вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мем­брану, отдавая на внутренней стороне ее транспортируемое вещество в цитоплазму. Этот процесс совершается без использования энергии, так как перемещение веществ происходит от более высокой концентрации к более
низкой.

3. Активный транспорт питательных веществ осуществляется также с помощью пермеаз, но этот процесс требует затраты энергии. В этом случае питательное вещество может проникнуть в клетку, если концентрация его в клетке значительно превышает концентрацию в среде.

4. В ряде случаев транспортируемое вещество может подвергаться химической модификации, и такой способ переноса веществ получил название переноса радикалов или транслокации химических групп. По механиз­му передачи транспортируемого вещества этот процесс сходен с активным транспортом.

Выход веществ из микробной клетки осуществляется или в виде пассивной диффузии, или в процессе облегчен­ной диффузии с участием пермеаз.

ФЕРМЕНТЫ

Ферменты — это вещества белковой природы, выраба­тываемые живой клеткой. Они являются биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов.

Ферменты микробной клетки локализуются в основном в цитоплазме, некоторые содержатся в ядре и клеточной оболочке. Микроорганизмы могут синтезировать самые разнообразные ферменты, относящиеся к шести изве­стным классам: оксиредуктазы, трансферазы, гидролазы лиазы, изомеразы, лигазы.

Характерным свойством ферментов является специфичность действ и я, т. е. каждый фермент реагирует с определенным химическим соединением или катализиру­ет одну или несколько близких химических реакций. Например, фермент лактаза расщепляет лактозу, мальтаза — мальтозу.

Активность ферментов зависит от температуры среды, рН и других факторов. Для многих патогенных микроорганизмов оптимальное значение рН 7,2—-7,4, а оптимальная температура находится в пределах 37—50 °С.

Ферменты микроорганизмов классифицируются на экзоферменты и эндоферменты. Экзоферменты, выделя­ясь во внешнюю среду, расщепляют макромолекулы питательных веществ до более простых соединений, кото­рые могут быть усвоены микробной клеткой. Так, к экзоферментам относят гидролазы, вызывающие гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате этих реакций белки расщепляются на аминокислоты и пептоны, жи­ры — на жирные кислоты и глицерин, углеводы (полисаха­риды)— на дисахариды и моносахариды. Распад белков вызывают ферменты протеазы, жиров — липазы, углево­дов — карбогидразы. Эндоферменты участвуют в ре­акциях обмена веществ, происходящих внутри клетки.

У микроорганизмов различают также конститутивные и индуктивные ферменты. Конститутивные фермен­ты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий существования. Это, в основном, ферменты клеточного обмена: протеазы, липазы, карбогидразы и др. Индуктивные (адаптивные) ферменты синтезируются в клетке под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной среде, и когда микроорганизм вынужден его усваивать. Таким образом, индуктивные ферменты позволяют микробной клетке приспособиться к изменившимся условиям существования.

Наряду с ферментами обмена многие патогенные бактерии вырабатывают также ферменты агрессии, которые служат для преодоления естественных защитных барьеров макроорганизма и являются факторами патогенности. К таким ферментам относятся гиалуронидаза, дезоксирибонуклеаза, лецитовителаза и др. Например, гиалуронидаза расщепляет меж­клеточное вещество соединительной ткани (гиалуроновую кислоту) и тем самым способствует распространению возбудителя в макроорганизме.

Выделение микроорганизмами различных ферментов определяет их биохимические свойства. Ферментный со­став любого микроорганизма является достаточно посто­янным признаком, а различные виды микроорганизмов довольно четко различаются по набору ферментов. Поэто­му изучение ферментативного состава имеет важное зна­чение для дифференциации и идентификации различных микроорганизмов.

Практическое использование микробных ферментов. Из­давна человек использовал ферментативную активность дрожжей в пивоварении и виноделии. Применение фермен­тов в пищевой промышленности позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повысить выход и улучшить качество готовой продукции. Фермен­ты, выделенные из определенных видов микроскопиче­ских грибов, используются в процессе изготовления пше­ничного теста, что позволяет увеличить объем, пори­стость выпеченного хлеба, улучшить его свежесть, аро­мат, вкус. Ферментные препараты некоторых микроорга­низмов применяют для ускорения процессов выделения соков из плодов и ягод.

С целью получения высококачественных кормов для сельскохозяйственных животных процессы микробного синтеза используются при силосовании зеленых трав; благодаря ферментативной активности дрожжей, размножающихся на отходах нефти (парафинах), получают белково-витаминные концентраты, которые являются ценным питательным веществом — их добавляют к грубым кормам для животных.

Функциональная активность и скорость ферментативных реакций зависят от условий, в которых находится данный микроорганизм и прежде всего от температуры среды и ее рН.

В медицинской промышленности с помощью фермен­тов микроорганизмов получают витамины, гормоны, алка­лоиды.

ДЫХАНИЕ БАКТЕРИЙ

Дыхание (или биологическое окисление) микроорганиз­мов представляет собой совокупность биохимических про­цессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микробных клеток.

Все физиологические процессы, такие как движение, рост и размножение, образование спор и капсул, выработ­ка токсинов, могут осуществляться при постоянном прито­ке энергии. Микроорганизмы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений: углеводов (чаще глюкозы), спиртов, органических кислот, жиров и т. д. Сущность окисления состоит в том, что окисляемое вещество отдает электроны, а восстанавливаемое полу­чает их.

Пo типу дыхания все микроорганизмы разделяются на облигатные (строгие) аэробы, облигатные анаэробы и факультативные (необязательные) анаэробы.

Облигатные аэробы (микобактерии туберкулеза и др.) живут и развиваются: при свободном доступе кисло­рода, т. е. реакции окисления осуществляются у них при участии молекулярного кислорода с высвобождением большого количества энергии.

Существуют и микроаэрофилы, которые нуждаются в малых количествах кислорода (некоторые лептоспиры, бруцеллы).

Облигатные анаэробы (клостридии столбняка, ботулизма и др.) способны жить и размножаться только в отсутствие свободного кислорода воздуха. Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с образованием небольшого количества энергии.

Наличие свободного кислорода для облигатных анаэро­бов является губительным. Это связано с тем, что в присутствии кислорода конечным продуктом окисления органических соединений оказывается перекись водорода. А поскольку анаэробы не обладают способностью проду­цировать фермент каталазу, расщепляющую перекись водорода, то она накапливается и оказывает токсическое действие на бактерии.

Факультативные анаэробы могут размножаться как при наличии молекулярного кислорода, так и при отсутствии его. К ним относят большинство патогенных и сапрофитных бактерий.