Физиология микроорганизмов. Лекция №3

1. Физиология микроорганизмов

Лекция №3

2. План занятия

Определение понятий.
2. Химический состав бактериальной
клетки.
3. Ферменты бактерий.
4. Питание, дыхание, рост и
размножение бактерий.
1.

3. Физиология

ФИЗИОЛОГИЯ
Физиология микроорганизмов (от греческого
«природа» и «знание») –раздел микробиологии,
изучающий процессы жизнедеятельности
микроорганизмов: питание, дыхание, рост и
размножение, закономерности взаимодействия с
окружающей средой.
В основе этих функций лежит обмен веществ
(метаболизм) и обмен энергии.
Особенностями микроорганизмов являются:
• интенсивный обмен веществ;
• обмен веществ происходит через всю поверхность
клетки.

4. В ходе метаболизма происходят два процесса: ассимиляция (анаболизм) и диссимиляция (катаболизм).

В ХОДЕ МЕТАБОЛИЗМА ПРОИСХОДЯТ ДВА
ПРОЦЕССА: АССИМИЛЯЦИЯ (АНАБОЛИЗМ) И
ДИССИМИЛЯЦИЯ (КАТАБОЛИЗМ).
Диссимиляция(катаболизм)
– распад сложных
органических веществ (питательных веществ), с
освобождением энергии и появлением простых
веществ. Полученные энергия и часть простых
веществ используются в процессах биосинтеза
(анаболизма).
Ассимиляция (анаболизм) – синтез новых сложных
высокомолекулярных соединений (белков,
нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов),
присущих данному организму.
Питание бактерий – это поступление в
бактериальную клетку продуктов диссимиляции –
веществ, необходимых для ее жизнедеятельности.

5. Химический состав бактерий

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БАКТЕРИЙ
Вода 80%
массы
Минеральные
вещества 3%
Углеводы
17%
Белки 52%
сухой массы
РНК – 16%;
ДНК – 3%,
сухой массы

6. Вода

ВОДА
Бактериальная клетка состоит на 90 % из воды.
10% приходится на долю сухого вещества.
Вода в клетке находится в свободном или
связанном состоянии (входит в состав клеточных
структур).
Вода обеспечивает клетке тургор, участвует в
гидролитических реакциях.
Вода является растворителем всех веществ,
дисперсной средой для химических реакций,
служит источником водородных и гидроксильных
ионов

7. Белки

БЕЛКИ
Белки составляют до 50% сухого остатка клетки и
представлены простыми белками протеинами и
сложными соединениями – протеидами.
Протеиды состоят из простого белка - протеина и
компонента небелковой природы, который
называется простетической группой.
В зависимости от характера простетической группы
выделяют нуклеопротеиды (соединение белка с
нуклеиновыми кислотами), гликопротеиды
(содержащие углеводы), липопротеиды (в состав
входят липиды).
Белки выполняют структурную функцию, входят в
состав клеточной стенки, цитоплазмы, мембраны.

8. Белки –функция:

БЕЛКИ –ФУНКЦИЯ:
Ферментативная функция - все ферменты являются
белками.
Токсическая функция - входят в состав токсинов (как
эндотоксинов так и экзотоксинов).
Двигательная - играют основную роль в
двигательном процессе (жгутики, двигательный
аппарат).
Видовая специфичность микроорганизмов зависит от
количественного и качественного состава белковых
веществ, то есть они определяют антигенность
микроорганизма (антигенные детерминанты
являются белками).

9. Белки –функция:

БЕЛКИ –ФУНКЦИЯ:
Нуклеиновые кислоты в клетке находятся в
цитоплазме:
• ДНК – выполняет функцию хранение
генетической информации;
• РНК (информационная, транспортная,
рибосомальная) – участвуют в процессе синтеза
белков – трансляции;
• малые РНК – выполняют регуляторную
функцию).

10. Углеводы

УГЛЕВОДЫ
Простые -
(моносахара, дисахара) и
высокомолекулярные (полисахариды). Углеводный
состав различен у разных видов микроорганизмов и
зависит от их возраста и условий развития.
Углеводы используются микробной клеткой в
качестве источника энергии и углерода
(энергетическая функция). Входят в состав клеточной
стенки, капсулы и др. компонентов клетки
(структурная функция). В комплексе с белками
определяют антигенную специфичность
микроорганизма (антигенная функция).
Входят в состав токсинов (эндотоксин).
Играют роль запасных питательных веществ в
клетке

11. Липиды

ЛИПИДЫ
Липиды представлены нейтральными жирами,
жирными кислотами, фосфолипидами .
Являются компонентами цитоплазматической
мембраны и клеточной стенки (структурная
функция), участвуют в энергетическом обмене
(энергетическая функция), в комплексе с белками и
углеводами входят в состав токсинов (токсическая)
и формируют антигенные структуры.
С липидами связана устойчивость микробов к
антибиотикам и кислотам.
У некоторых видов липиды выполняют роль
запасных питательных веществ.

12. Ферменты

ФЕРМЕНТЫ
Ферменты – это высокомолекулярные белки,
которые являются биологическими катализаторами
и играют важную роль в обмене веществ
микроорганизмов.
Катализатор – вещество, ускоряющее реакцию, но не
входящее в продукт реакции.
В настоящее время известно более 1000 ферментов.
Они строго специфичны и их специфичность
связана с группой аминокислот, образующих
активный центр фермента, который может
взаимодействовать только определенным
химическим соединением и выполнять одну или
несколько близких химических реакций. Например,
фермент лактаза расщепляет лактозу, мальтаза —
мальтозу и т. д

13. Ферменты

ФЕРМЕНТЫ
Ферментный состав любого микроорганизма
является достаточно постоянным генетически
детерминированным признаком, а различные
виды микроорганизмов различаются по
набору ферментов.
Поэтому изучение ферментативной активности
(биохимических свойств) имеет важное
значение для дифференциации и
идентификации возбудителя инфекционных
заболеваний.

14.

По функциям можно выделить: Ферменты
метаболизма. В основе всех метаболических
реакций в бактериальной клетке лежит
деятельность ферментов, которые
принадлежат к 6 классам: оксиредуктазы,
трансферазы, гидролазы, лигазы, лиазы,
изомеразы.

15. Ферменты метаболизма

ФЕРМЕНТЫ МЕТАБОЛИЗМА
Оксидоредуктазы – энергетический обмен
(брожение и дыхание).
Трансферазы – реакции переноса групп
атомов от одного соединения к другому.
Гидролазы – расщепление сложных
соединений (белки, жиры и углеводы) с
участием воды.
Лиазы – отщепляют от субстратов
определенные группы (СО, Н2Щ, NH3 и т.д.)
без участия воды.
Изомеразы – обратимые превращения
органических соединений в их изомеры.
Лигазы – синтез сложных органических
соединений из более простых.

16. Ферменты

ФЕРМЕНТЫ
Дыхательные ферменты – обеспечивают
биологическое окисление. К ним относятся:
дегидрогеназы, цитохромоксидаза, каталаза,
пероксидаза.
Ферменты агрессии – факторы
патогенности, обеспечивают разрушение
защитных барьеров человека. К ним относятся
гиалуронидаза, протеаза, коагулаза,
лецитиназа, нейраминидаза, ДНК-аза и др.

17. Ферменты

ФЕРМЕНТЫ
По локализации ферменты микроорганизмов
разделяют на экзоферменты и эндоферменты.
Эндоферменты прочно связаны с бактериальной
клеткой и участвуют в реакциях обмена веществ,
происходящих внутри клетки (дыхательные
ферменты и ферменты ассимиляции).
Экзоферменты выделяются клеткой во внешнюю
среду, выполняют агрессивную функцию у
патогенных микроорганизмов, участвуют в
процессе диссимиляции. Экзоферменты играют
большую роль в обеспечении бактериальной
клетки доступными для проникновения внутрь
источниками углерода и энергии

18. Ферменты

ФЕРМЕНТЫ
По регуляции продукции у микроорганизмов
различают конститутивные и индуктивные
ферменты.
Конститутивные ферменты постоянно
синтезируются микробной клеткой независимо
от условий существования.
Индуктивные (адаптивные) ферменты
синтезируются в клетке только под влиянием
соответствующего субстрата, находящегося в
питательной среде (когда микроорганизму
необходимо его усваивать).

19. Токсины

ТОКСИНЫ
Экзотоксины могут продуцировать как грам(+), так
и грам(-) бактерии. По химической природе это белки.
Обладают высокой токсичностью и специфичностью.
Специфичность определяется способностью
повреждать только определенную мишень (процесс) в
клетках больного организма – нейротоксины
поражают клетки нервной ткани, гемолизины
разрушают эритроциты, энтеротоксины поражают
эпителий тонкого кишечника, и т.д.
Эндотоксины по своей химической структуре
являются липополисахаридами, которые являются
структурными составляющими клеточной стенки
грам(-) бактерий и выделяются в окружающую среду
только при разрушении бактерий. Эндотоксины не
обладают специфичностью, термостабильны, менее
токсичны.

20. Пигменты

ПИГМЕНТЫ
Некоторые микроорганизмы (бактерии, грибы)
в процессе обмена веществ образуют красящие
вещества – пигменты.
По химическому составу и свойствам пигменты
неоднородны. Они подразделяются на
растворимые в воде (синий пигмент пиоцианин, выделяемый синегнойной
палочкой); растворимые в спирте и
нерастворимые в воде (красный пигмент продигиозан, выделяемый чудесной палочкой);
нерастворимые ни в воде, ни в спирте (черные
и бурые пигменты дрожжей и плесеней).

21. Питание бактерий

ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ
– это поступление в бактериальную клетку продуктов
диссимиляции – веществ, необходимых для ее
жизнедеятельности.
Для нормального функционирования клетки
необходимо, чтобы питательные вещества содержали
необходимые химические элементы. Такие
химические элементы называют органогены.
Всего таких элементов 21.
Среди них выделяют абсолютные органогены:
углерод, водород, кислород и азот. Они используются
для построения сложных органических веществ:
белков, углеводов, нуклеиновых кислот и липидов, без
которых невозможно существование жизни.
Источником водорода и кислорода служит вода.

22. По источнику получения углерода

ПО ИСТОЧНИКУ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДА
аутотрофы
(от греч. autos - сам, trophe
– питание) используют в
качестве источника
углерода углекислый газ и
другие неорганические
соединения углерода.
Автотрофами являются
многие почвенные
бактерии
(нитрифицирующие,
серобактерии и др.).
гетеротрофы
(от греч. heteros - другой,
trophe – питание) –
усваивают углерод из
углеводов (чаще всего
глюкозы, многоатомных
спиртов, органических
кислот, аминокислот и
других органических
веществ).

23. Гетеротрофы:

ГЕТЕРОТРОФЫ:
сапрофиты
паразиты
Получают готовы
Живут и
органические
соединения от
отмерших
организмов
размножаются за
счет органических
веществ живой
клетки

24. По способности усваивать азот

ПО СПОСОБНОСТИ УСВАИВАТЬ АЗОТ
Аминоавтотрофы
Аминогетеротрофы
для синтеза белка
получают азот из
клетки используют
молекулярный азот
воздуха
(клубеньковые
бактерии,
азотобактер) или
усваивают его из
аммонийных солей.
органических
соединений аминокислот,
сложных белков.

25. По источнику энергии

ПО ИСТОЧНИКУ ЭНЕРГИИ
фототрофы
хемотрофы
Используют энергию
Получают энергию за
солнечного света
счет окисления
неорганических
веществ и
органических
соединений

26. Минеральные вещества

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Кроме органогенов, питание должно обеспечивать
поступление минеральных веществ и факторов роста.
К макроэлементам относятся фосфор, натрий,
калий, магний, хлор, кремний, сера, железо и др.
Большая часть их входит в состав органических
веществ клетки, часть присутствуют в виде солей.
Микроэлементы (кобальт, марганец, медь, хром,
цинк, молибден и др.) содержащиеся в клетке в очень
малых количествах. Они участвуют в синтезе
некоторых ферментов и регуляции их работы.
Соотношение отдельных химических элементов в
микробной клетке может колебаться в зависимости от
вида микроорганизма, состава питательной среды,
особенностей метаболизма и условий существования
во внешней среде.

27. Факторы роста

ФАКТОРЫ РОСТА
- соединения, которые сами микробы
синтезировать не могут, их добавляют в питательные
среды
это аминокислоты - для построения белков
пурины и пиримидины - для образования
нуклеиновых кислот
витамины - входящие в состав ферментов

28. По отношению к факторам роста

ПО ОТНОШЕНИЮ К ФАКТОРАМ РОСТА
ПРОТОТРОФЫ
АУКСОТРОФЫ
способные
самостоятельно
синтезировать все
необходимые им
органические соединения
не способные
синтезировать
необходимые им
органические
соединения.
Ассимилируют эти
соединения и другие
факторы роста в готовом
виде из окружающей
среды или организма
хозяина Чаще всего
являются патогенными
или условно
патогенными для
человека

29.

30. Транспорт питательных веществ

ТРАНСПОРТ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ
Основным регулятором поступления веществ в бактериальную
клетку является ЦПМ.
Существует четыре механизма поступления веществ в клетку:
- пассивная диффузия – неспецифическое проникновение
веществ в клетку по градиенту концентрации, значение имеет
величина молекул и липофильность, скорость переноса
незначительная.
- облегченная диффузия - по градиенту концентрации, при
участии белка-переносчика-транслоказы, скорость зависит от
концентрации вещества в наружном слое;
- активный транспорт – с помощью пермеаз но против
градиента концентрации, энергозатратный (за счет АТФ);
- транслокация (перенос групп) – транспортируемое вещество
подвергается химической модификации, против градиента
концентрации, с помощью фосфотрансферазной системы,
энергозатратна, вещества (нр. сахара) поступают в клетку в
форфорилированном виде

31. транспорт веществ через мембрану

32. Дыхание

ДЫХАНИЕ
Процесс окисления, в ходе которого живые
организмы получают и накапливают энергию в
виде молекул АТФ, называется дыханием.
Сущность окисления состоит в том, что
окисляемое вещество отдает электроны, а
восстанавливаемое получает их.
По способу получения энергии
микроорганизмы разделяют на фототрофы,
использующие для биосинтетических реакций
энергию солнечного света (цианобактерии) и
хемотрофы, которые получают энергию за счет
окисления неорганических веществ
(хемолитотрофы) и органических соединений
(хемоорганотрофы).

33. По типу дыхания выделяют

ПО ТИПУ ДЫХАНИЯ ВЫДЕЛЯЮТ
Облигатные (строгие) аэробы. Им необходим молекулярный
(атмосферный) кислород для дыхания (сарцины, холерный
вибрион, микобактерии туберкулеза и др.)
Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации
(низком парциальном давлении) свободного кислорода
(молочнокислые бактерии, актиномицеты, лептоспиры и др.). В
газовую смесь для культивирования добавляют CO2 (до 10%)
Облигатные (строгие) анаэробы размножаются только в
анаэробных условиях, при очень низких концентрациях
молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для
них губителен (бактероиды, клостридии ботулизма, возбудители
газовой гангрены, столбняка и др.)
Факультативные анаэробы могут расти и размножаться как
при наличии кислорода так и при его отсутствии, так как способны
переключаться с дыхания в присутствии молекулярного кислорода
на брожение, если кислород отсутствует (большинство
сапрофитных, патогенных и условно-патогенных микроорганизмов,
типичный представитель - кишечная палочка)

34.

Облигатные аэробы могут расти только при наличии
кислорода. При наличии кислорода бактерии образуют
перекисные радикалы кислорода, в том числе перекись
водорода и супероксид-анион кислорода. Аэробные
бактерии инактивируют перекись водорода ферментами
(каталазой, пероксидазой и супероксиддисмутазой). У
анаэробов этих ферментов нет, поэтому кислород для них
губителен
Факультативные анаэробы могут расти как при
наличии, так и при отсутствии кислорода, поскольку они
способны переключаться с дыхания в присутствии
молекулярного кислорода на брожение в его отсутствие.
Микроаэрофилы лучше растут при пониженном
содержании кислорода.
Среди облигатных анаэробов различают
аэротолерантные бактерии, которые сохраняются при
наличии молекулярного кислорода, но не используют
его.

35. Брожение

БРОЖЕНИЕ
Процесс разложения органических веществ в
бескислородных условиях, сопровождающийся
выделением энергии.
По конечному продукту расщепления
углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксусно-кислое и другие виды
брожений

36. Рост и размножение бактерий.

Жизнедеятельность бактерий
характеризуется
ростом – увеличение бактериальной клетки
в размерах без увеличения числа особей
размножением – увеличение числа особей в
популяции.
Бактерии размножаются путем бинарного
деления пополам
Время генерации – промежуток от деления
до деления клетки, составляет 15-30 минут

37.

38. Рост и размножение микроорганизмов

РОСТ И РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
Основные стадии размножения микробов в жидкой среде в
стационарных условиях:
начальная стационарная фаза
- лаг- фаза (фаза покоя, продолжительность 3-4 часа,
повышается интенсивность обменных процессов,
уеличиваются размеры клетки)
- фаза геометрического роста - фаза с резким ростом
численности популяции
- стационарная фаза (фаза равновесия размножения и
гибели микробных клеток)
- фаза отмирания - уменьшение численности популяции
в связи с уменьшением и отсутствием условий для
размножения микроорганизмов (дефицит питательных
веществ, изменение рH, rH2, концентрации ионов и

39. Размножение бактерий на плотной питательной среде.

Бактерии, растущие на плотных питательных
средах, образуют изолированные колонии
различной формы, с ровными или неровными
краями (S- и R-формы), различной
консистенции и цвета, зависящего от пигмента
бактерий и другими особенностями.
Вид, форма, цвет и другие особенности
колоний (культуральные свойства) могут
учитываться при идентификации бактерий, а
также отборе колоний для получения чистых
культур

40.

41. Питательные среды

Питательные среды должны обязательно отвечать основным
требованиям:
они должны содержать в достаточном количестве
все необходимые питательные вещества (источники
энергии, углерода, азота), соли и ростовые факторы;
должны иметь определенные, значения рН,
осмотические и другие физико- химические
свойства, оптимальные для роста данного вида
бактерий;
должны иметь достаточную влажность (при их
усыхании повышается концентрация питательных
веществ, особенно солей, до уровней, тормозящих
рост бактерий).
питательные среды для лучшего определения
культуральных свойств бактерий должны быть по
возможности прозрачными.
должны быть стерильными, не содержать
посторонней микрофлоры.

42. Питательные среды

Существует много различных вариантов
питательных сред, сконструированных с учетом
потребностей соответствующих видов бактерий и
диагностических целей.
По консистенции питательные среды делят на
Жидкие (без агара)
полужидкие (менее 1% агаара)
Плотные (более 1 % агара)
По целям использования выделяют
транспортные среды
среды обогащения
среды накопления

43. По назначению:

Универсальные
Селективные (синонимы: избирательные,
элективные, обогатительные)
Дифференциально-селективные
Специальные
Синтетические
Полусинтетические

44. Культивирование микроорганизмов

КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
Чистая культура - популяция одного вида
микроорганизмов
Основные принципы получения чистых культур:
механическое разобщение, рассев
серийные разведения
использование элективных сред
создание особых условий культивирования (с
учетом устойчивости некоторых микробов к
определенным температурам, кислотам,
щелочам, парциальному давлению кислорода,
рН и др).

45. Культивирование микроорганизмов

КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
Классические методы получения чистых культур
Пастера (разведения в жидкой среде)
Коха (пластинчатые разводки)
Шукевича (ползучий рост)
Дригальского (посев одним шпателем последовательно в
три чашки Петри)
Вейнберга (для анаэробов - заливают агаровую среду
сверху смесью парафина и вазелинового масла)

46. Характер роста бактерий на питательных средах

ХАРАКТЕР РОСТА БАКТЕРИЙ НА
ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ
на плотных средах - сплошной рост или образование
колоний
колонии можно описать рядом характеристик - форма,
размер, поверхность, профиль, прозрачность, цвет, край,
структура, консистенция
на жидких средах наблюдают помутнение (чаще факультативные анаэробы)
поверхностный рост в виде пленок (аэробные прокариоты)
пристеночный, придонный рост, образования различных
по характеристикам осадков

47. Культивирование микроорганизмов

КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
Основные условия культивирования микроорганизмов на
питательных средах
Использование всех необходимых для соответствующих микробов
питательных компонентов
Оптимальные температура, рН, rH2, концентрация ионов, степень
насыщения кислородом, газовый состав и давление
Ми/о культивируют на питательных средах при оптимальной
температуре в термостатах, обеспечивающих условия инкубации
По температурному оптимуму роста выделяют три основные группы
микроорганизмов:
Психрофилы - растут при температурах ниже +20 градусов Цельсия
Мезофилы - растут в диапозоне температур от +20 до +45 градусов
Термофилы - растут при температурах выше + 45 градусов