Рост и размножение микроорганизмов

Под ростом понимают увеличение размеров отдельной особи и упо­рядоченное воспроизведение всех химических компонентов и струк­тур, увеличение цитоплазматической массы отдельной клетки или по­пуляции в результате синтеза клеточного материала.

Размножение — процесс воспроизведения себе подобных особей, обеспечивающий продолжение существования вида, увеличение числа бактерий в микробной популяции. Бактерии размножаются в основном путем бинарного деления пополам, реже путем почкования, фрагмен­тации нитевидных клеток, спорами. Грамположительные бактерии де­лятся путем врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки, а грамотрицательные — путем перетяжки в результате образо­вания гантелевидных фигур, из которых затем формируются две оди­наковые клетки. У бактерий известен и половой путь размножения, сущность которого заключается в передаче генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту.

Шаровидные формы микробов делятся в разных плоскостях, в ре­зультате чего образуются одиночные, парные клетки или расположен­ные в виде цепочек, гроздьев и т. п.

Микроскопические грибы чаще всего размножаются спорами, поло­вым путем и почкованием.

В процессе деления происходит репликация ДНК, которая осущест­вляется ДНК-полимеразами. Удвоение происходит с определенной скоростью, что зависит от возраста культуры, вида бактерий, качества питательной среды. Например, скорость роста кишечной палочки со­ставляет 15—20 мин, туберкулезной палочки — 18—20 ч.

Бактерии, засеянные в определенный, неизменяющийся объем жид­кой питательной среды, размножаясь, потребляют питательные вещес­тва, что приводит к истощению среды и прекращению их роста. Куль­тивирование микробов в такой системе называется периодическим, а культура — периодической. Если культивирование поддерживается путем подачи свежей питательной среды и оттока такого же объема культуральной жидкости, такое культивирование называют непрерыв­ным, а культуру — непрерывной. При выращивании бактерий в жидкой питательной среде наблюдают придонный рост, диффузное помутнение среды, образование пленки на поверхности среды, пристеночного коль­ца и т. п. При выращивании на плотной питательной среде бактерии формируют колонии в R- и S-формах. Колонии могут быть в О-, D-, М-и Z-формах. Подвижные бактерии при засеве их в полужидкий агар пу­тем укола вызывают помутнение питательной среды, а неподвижные растут по уколу в виде серо-белого стержня. Характер роста микробов на жидкой, полужидкой и плотной питательной средах довольно раз­нообразен и зависит от вида культивируемых микроорганизмов.

Рост периодической культуры подразделяют на несколько фаз или периодов. Многие исследователи различают восемь фаз роста бакте­рий, сменяющих друг друга в определенной последовательности. Боль­шинство авторов подразделяют рост периодической культуры на четы­ре фазы: лаг-фаза; фаза логарифмического (экспоненциального) роста; стационарного роста; гибели бактерий.

Лаг-фаза (от англ. lag — запаздывание) — период между посевом бак­терий икначалом их размножения. В этой фазе в клетках повышается количество нуклеиновых кислот, белка и других компонентов, бакте­рии увеличиваются в размерах и готовятся к делению. Продолжитель­ность этой фазы составляет 4—5 ч.

Фаза логарифмического (экспоненциального) роста — это период наи­более интенсивного роста и деления бактерий. Бактерии делятся 20— 40 мин (время генерации — интервал между делениями клетки). Про­должительность фазы — 5—6 ч. В этой фазе бактерии наиболее ранимы, что объясняется высокой чувствительностью интенсивно растущих клеток к ингибиторам синтеза белка, нуклеиновых кислот и других со­единений.

Фаза стационарного роста характеризуется тем, что количество вновь нарождающихся клеток равно количеству отмирающих бактерий. Про­должительность этой фазы — 3—4 ч.

Фаза гибели характеризуется отмиранием клеток в связи с истощени­ем питательных веществ в среде и накоплением в ней продуктов мета­болизма бактерий. Продолжительность этой фазы исчисляется десят­ками часов и даже несколькими неделями.

При развитии микробной популяции выделяют два основных про­цесса — размножение и отмирание клеток. С учетом этого популяцию бактерий в определенный момент времени можно количественно оха­рактеризовать двумя параметрами: концентрацией живых клеток и величиной, указывающей на общее количество как живых, так и погиб­ших микробов. Количество живых клеток в популяции определяют путем высева разведенных проб растущей культуры на плотную пита­тельную среду, на поверхности которой каждая клетка формирует ко­лонию. Подсчет числа колоний характеризует концентрацию жизне­способных клеток в единице объема питательной среды. Общее число бактерий определяют по оптической плотности культуральной жидкос­ти с помощью фотоэлектроколориметров или спектрофотометров, ис­пользуют микроскопический метод подсчета клеток в счетной камере и другие методы.

Ферменты микроорганизмов

Обмен веществ (метаболизм) в микробной клетке происходит с учас­тием ферментов (энзимов), которые являются биологическими катали­заторами, т. е. веществами, влияющими на скорость химических реак­ций. Ферменты микроорганизмов синтезируются самой микробной клеткой и имеют сложное строение. Одни ферменты состоят только из белка — протеина, а другие представляют собой протеиды, состоящие из белка — апофермента и небелковой группы — кофермента. В этом случае апофермент соединяется с активной группой изменяемого ве­щества, а не обладающий специфичностью кофермент способствует течению реакции. Для ферментов характерны термолабильность и вы­сокая специфичность действия, например фермент лактаза гидролизует лактозу, но не действует на родственные дисахариды (мальтозу, целлобиозу). Оптимальная температура для действия ферментов — 40—50 °С, для некоторых— 58—60 °С; при 100 °С они разрушаются. Ферменты действуют при определенном показателе кислотности среды рН и не изменяются к концу реакции, не входят в состав конечных продуктов.

Ферменты микробов делят на эндо- и экзоферменты. Эндоферменты прочно связаны с цитоплазмой, осуществляют дальнейшее разложение поступающих питательных веществ и превращение их в составные час­ти клеток. Экзоферменты выделяются в окружающую среду, где произ­водят превращение питательных веществ до более простых соединений, которые затем проходят через оболочку микробной клетки и служат пластическим материалом.

Название фермента связано с веществом, на которое он действует, с изменением окончания «-аза» или природой катализируемой им хи­мической реакции. Насчитывается более 2 тыс. ферментов. По реше нию биохимического конгресса (1961) все ферменты делят на шесть классов.

1. Оксидоредуктазы — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (дегидрогеназы, каталаза, цитохромы).

2. Трансферазы — ферменты переноса отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок (ацетилтрансфераза).

3. Гидролазы — ферменты присоединения или отщепления частичек воды у белков, жиров и углеводов (протеолитические ферменты).

4. Лиазы — ферменты, отщепляющие или присоединяющие без учас­тия воды различные соединения с двойной связью (альдолаза).

5. Изомеразы — ферменты, осуществляющие превращение органи­ческих соединений в их изомеры (глюкофосфатизомераза).

6. Лигазы — ферменты, катализирующие синтез сложных органичес­ких соединений из простых (пируваткарбоксилаза).

Кроме того, различают конститутивные (индуктивно-адаптивные) и индуцибельные ферменты.

К конститутивным относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно, независимо от наличия в питательной среде со­ответствующего субстрата.

Индуцибельные ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента. Например, Р-галактозидаза кишечной палочки на среде с глюкозой практически не образуется, но ее синтез резко возрастает при выращивании Е. coli на среде с лактозой.

Патогенные микробы продуцируют ферменты агрессии, которые способствуют проникновению, распространению и паразитированию микроорганизма (гиалуранидаза, коллогеназа, нейраминидаза, коагулаза, ДНКаза) в макроорганизме.

Микробы разных видов при оптимальных условиях продуцируют постоянные ферменты или группу ферментов. Посредством определе­ния этих ферментов дифференцируют микроорганизмы, сходные по морфологическим и культуральным свойствам, что является одним из важнейших дифференциально-диагностических методов точного рас­познавания возбудителя инфекционной болезни.

Контрольные вопросы

1. Какие химические вещества входят в состав бактериальной клетки?

2. Как подразделяются микроорганизмы по способу углеродного питания?

3. На какие группы подразделяют микробы по типу дыхания?

4. Что понимают под ростом и размножением бактерий?

5. На какие фазы подразделяют рост периодической культуры микробов?

6. На какие классы подразделяют ферменты?