Биохимия и физиология бактерий (лекция)

1. ГБОУ ВПО Кировская ГМА Кафедра микробиологии и вирусологии

Лекция «Биохимия и
физиология бактерий»

2. План лекции:

Метаболизм бактерий
Рост и размножение бактерий
Культуральные свойства бактерий
Питательные
среды
6. Бактериологический метод
1.
2.
3.
4.

3.

Метаболизм (обмен веществ) –
совокупность всех протекающих в клетке
химических превращений,
обеспечивающих воспроизводство ее
биомассы и жизнеспособность

4.

Катаболизм (энергетический метаболизм /
диссимиляция) – процессы расщепления
сложных соединений, идущие с выделением
энергии и запасанием ее в молекулах АТФ и
других макроэргических соединений
Анаболизм (конструктивный / пластический
метаболизм / ассимиляция / биосинтез) –
реакции синтеза сложных соединений и
структурных компонентов клеток за счет
поступающих извне веществ, идущие с
потреблением энергии, полученной в процессе
катаболизма
Амфиболиты – одинаковые промежуточные
продукты катаболизма и анаболизма

5. Энергетический метаболизм

Биологическое окисление – окисление
органических или неорганических веществ
живыми организмами путем дегидрирования
(отнятия Н+ = е–) от окисляемого вещества
(донора) с последующим переносом на
другое вещество (акцептор), которое при
этом восстанавливается

6. Схема биологического окисления:

Донор Н+
АДФ
АТФ
Акцетор Н+
электроны
Макроэргические соединения:
АТФ!
ГТФ
ЦТФ
УТФ
дТТФ
креатинфосфат
ацетил-КоА
и др.

7.

Фосфорилирование – процесс
переноса фосфатной группы с образованием
макроэргических связей
Виды фосфорилирования:
фотофосфорилирование (фотосинтез)
субстратное фосфорилирование (брожение)
окислительное фосфорилирование (дыхание)

8.

Фотосинтез – процесс преобразования
световой энергии в клетках фототрофных
бактерий (хроматофорах) в биохимическую
доступную энергию
(протонный потенциал
АТФ)

9.

Субстратное фосфорилирование
(брожение) – способ получения энергии,
при котором происходит сопряженное
окисление-востановление субстрата без
участия кислорода (наиболее примитивный
способ получения энергии)
Л.Пастер: «Брожение – это жизнь без воздуха»

10. Фазы брожения:

1.
Начальная (окисление) – расщепление
углеводов до ПВК:
гликолиз (путь ЭмбденаМейергофа-Парнаса)
пентозофосфатный путь
2-кето-3дезокси6фосфоглюконатный путь
(путь Энтнера-Дудорова) –
только у бактерий рода
Pseudomonas, Alcaligenes
2.
Конечная (восстановление) – присоединение
атомов водорода с восстановлением ПВК до
конечных продуктов

11. Схема субстратного фосфорилирования (брожения):

Питательный
субстракт
(глюкоза)
ПВК
Конечный
продукт

12. Типы брожения

Типы брожения
Молочно-кислое
гомоферментативное
Конечный продукт
Микроорганизмы
молочная кислота
лактобактерии,
стрептококки
гетероферментативное молочная кислота
+ этиловый спирт,
СО2, уксусная
кислота, ацетоин,
диацетил
бифидумбактерии
Спиртовое
этанол
дрожжи
Масляно-кислое
масляная кислота
клостридии
Муравьино-кислое
муравьиная кислота
энтеробактерии
Пропионово-кислое
пропионовая кислота пропионобактерии
Ацетонобутиловое
бутиловый спирт и
ацетон
Clostridium
acetobutylicum

13. Достоинства брожения

освобождение энергии, необходимой для
жизнедеятельности бактерий
образование веществ, необходимых для
жизнедеятельности человека
Недостатки брожения
неполное окисление субстрата
1 молекула глюкозы – 2 молекулы АТФ (30 ккал)
донор и акцептор е– – только
органические вещества
происходит в строго анаэробных условиях
происходит только в растворе

14.

Окислительное фосфорилирование
(дыхание) – процесс образования АТФ при
переносе электронов от донора к акцептору
через дыхательную цепь

15. Этапы переноса электронов от донора к акцептору при дыхании:

1.
2.
3.
Окисление субстрата с переносом е– на
внутренний акцептор клетки (НАД, ФАД,
НАДФ) через ЦТК
Перенос электронов по дыхательной цепи с
образованием АТФ
Перенос электронов на внешний акцептор

16. Схема окислительного фосфорилирования (дыхания)

белки
глюкоза
жиры
гликолиз
полипептиды
пируват
аминокислоты
Ацетил-КоА
8Н+
ЦТК
аэробы
НАД
2НАДН2
ФАД
1ФАДН2
НАДФ
1НАДФН2
убихинон
О2+2Н+---Н2О
анаэробы
система
цитохромов
NО3----NН3
SО42----Н2S

17.

Аэробное дыхание
О2+2Н+---Н2О
+ Токсичные соединения О2
Н2О2 и О2–
2О2– + 2Н+
2Н2О2
супероксиддисмутаза
каталаза
Н2О2 + О2
2Н2О + О2

18. Отличия дыхания от брожения

полное окисление субстрата
освобождение энергии и запасание ее в
больших количествах
(1 молекула глюкозы – 38 молекул АТФ)
аэробное дыхание – 676 ккал
анаэробное дыхание – 166 ккал
донор е– – органические/неорганические
вещества
акцептор е– – только неорганические
вещества
участие электронно-транспортной сети
происходит в аэробных и анаэробных
условиях
происходит на отсеках ЦПМ и мезосом

19. Классификация микроорганизмов по конечному акцептору электронов

Название
Конечный
акцептор е–
Способ
получения
энергии
Пример
Строгие
аэробы
О2
аэробное
дыхание
дифтерийная палочка,
холерный вибрион
Строгие
анаэробы
органические
кислоты
сульфаты,
нитраты
брожение
клостридии
анаэробное
дыхание
десульфатирующие,
денитрофицирующие
бактерии
О2
аэробное
дыхание
брожение
> патогенных бактерий
Факультативные
анаэробы
органические
кислоты

20. Классификация микроорганизмов по конечному акцептору электронов

Название
Конечный
акцептор е–
Способ
получения
энергии
Пример
Микроаэрофилы
• капнофилы
небольшое
кол-во О2
20% СО2
аэробное
дыхание
спирохеты,
актиномицеты
нейссерии,
бруцеллы
брожение
молочнокислые
бактерии
Аэротоорганические
лерантные
кислоты
(О2 негубителен)

21.

Анаболизм (конструктивный/
пластический метаболизм/
ассимиляция/биосинтез) – реакции
синтеза сложных соединений и структурных
компонентов клеток за счет поступающих
извне веществ, идущие с потреблением
энергии, полученной в процессе катаболизма

22. Конструктивный метаболизм

Биосинтез аминокислот –
из пирувата (гликолитический цикл),
α-кетоглутарата и фумарата (ЦТК)
аминированием и переаминированием
Биосинтез нуклеиновых кислот – из пуриновых
и пиримидиновых оснований
Биосинтез углеводов:
автотрофы – из СО2 в цикле Кальвина
гетеротрофы – из С2-С3 соединений
гликолизом в обратном направлении
Биосинтезе жирных кислот –
карбоксилирования ацетил-КоА

23.

Рост бактерий – координированное
воспроизведение всех клеточных компонентов и
структур, ведущее к увеличению размеров,
объема, массы клетки
Размножение – процесс самовоспроизведения,
обеспечивающий существование вида
(увеличение числа клеток в популяции в единице
объема питательной среды)
Способы размножения бактерий:
бинарное деление
почкование (микоплазмы, Francisella)
фрагментация (актиномицеты)

24. Этапы бинарного деления бактерий

1. Приклепление бактериальной
хромосомы к репликаторному
центру ЦПМ и репликация
Репликация –воспроизведение
ДНК путем самоудвоения:
начинается в определенной точке
хромосомы (локусе oriC)
полуконсервативный характер
идет в двух противоположных
направлениях
заканчивается в строго
фиксированной точке (terminus)

25. Стадии репликации бактериальной ДНК

Разрезание ДНК (рестриктаза)
Раскручивание цепей ДНК
(изомераза)
Разделение цепей ДНК и
образование репликаторной
вилки (хеликаза)
Стабилизация 1-нитевых ДНК
(ДНК-связывающий белок)
Достраивание цепей ДНК
(ДНК-полимераза)
«ведущая» цепь – непрерывно
«отстающая» цепь – прерывисто,
короткими фрагментами
(фрагменты Оказаки)

26. Стадии репликации бактериальной ДНК

Сшивание фрагментов Оказаки (лигаза)
Суперспирализация цепей ДНК
(топоизомеразы)
Ревизия цепей ДНК (ДНК-полимеразой)

27. Этапы бинарного деления бактерий

2. Образование на ЦПМ нового
репликаторного центра и
прикрепление к нему нового
нуклеоида
3. Образование межклеточной
перегородки (врастание ЦПМ
с 2-х сторон), синтез
пептидогликана,
воспроизведение клеточных
структур
4. Расхождение дочерних
клеток

28.

Время генерации – период, в течение которого
осуществляется деление клетки
(от 15-20 мин. у E. coli до 14-18 час. у M. tuberculosis)
Скорость размножения бактерий зависит от:
вида бактерий
возраста культуры
состава питательной
среды
условий культивирования
(t0С, рН, аэрация…)

29.

Культуральные свойства – характер
роста бактерий на жидких и плотных питательных
средах при определенных условиях
Характер роста в жидких средах:
диффузное помутнение
придонный/пристеночный
пленка

30.

Характер роста на плотных средах:
сплошной
ползучий (Proteus vulgaris)
колонии – изолированное скопление особей одного
вида, образующиеся в результате размножения
одной бактериальной клетки на плотной питательной
среде

31.

Признаки колоний
Размер:
точечные
мелкие
средние
крупные
Форма:
правильная круглая
неправильная
Цвет:
бесцветные
белый
желтый
красный
сине-зеленый…

32.

Признаки колоний
Поверхность:
матовая/блестящая
сухая/влажная
гладкая/шероховатая
Край:
ровный
волнистый
зазубренный
бахромчатый
Рельеф:
плоские
конусообразные
куполообразные
плоские с конусовидным
центром/углублением в центре
с утолщенными краями

33.

Признаки колоний
Прозрачность:
прозрачные
полупрозрачные
непрозрачные
Структура:
Запах:
однородная
без запаха
неоднородная с запахом
зернистая
волокнистая
Консистенция:
пастообразная
слизистая/вязкая
плотная
сухая

34.

Классификация бактерий по условиям
культивирования
Питательная среда
Неребовательные
Требовательные
Психрофилы
Температура
Мезофилы
Термофилы
Облигатные аэробы
Облигатные анаэробы
Аэрация
Факультативные анаэробы/аэробы
Микроаэрофилы
капнофилы
Аэротолерантные
Время роста
Быстрорастущие
Медленнорастущие

35.

Питательная среда – биологические препараты
простого или сложного состава, применяющиеся
для размножения бактерий в лабораторных или
промышленных условиях
Требования, предъявляемые к
питательным средам:
сбалансированное содержание всех
питательных веществ в легкоусвояемом виде
оптимальная влажность, рН, изотоничность,
окислительно-востановительный потенциал,
вязкость, прозрачность
отсутствие ингибиторов
роста
стерильность

36.

Классификация питательных сред
По происхождению
естественные
искусственные/полусинтетические
синтетические
По консистенции
жидкие
полужидкие (0,2-1% агар-агара)
плотные (1,5-2% агар-агара)
По составу
простые (МПБ, МПА, пептонная вода)
сложные
По целевому использованию
производственные
(получение биологических препаратов)
непроизводственные (исследование м/о)

37.

Классификация питательных сред
По назначению
1. общего назначения (универсальные)
2. специальные:
накопительные (обогащения)
элективные (селективные)
дифференциально-диагностические
транспортные (консервирующие)
По способу
производства
1. коммерческие:
готовые
сухие
2. лабораторного
изготовления

38. Фазы развития бактериальной популяции в ЖПС

Исходная стационарная фаза
Период
адаптации
Лаг-фаза
Лог-фаза (кол-во клеток = 2n)
Фаза отрицательного ускорения
Стационарная фаза
Фаза гибели
Фаза логарифмической
гибели
8. Фаза уменьшения скорости
отмирания клеток
Учет жизнеспособных
клеток – КОЕ/мл среды
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

39.

Бактериологический метод
– выделение чистой культуры м/о из
исследуемого материала с последующей ее
идентификацией по морфологическим,
тинкториальным, культуральным, биохимическим,
антигенным и патогенным свойствам, на основании
фаго- и бактериоцинотипирования и определение
чувствительности к АБ
Применение:
диагностика инфекционных заболеваний
проф. обследования на выявление носителей
патогенных бактерий
изучение санитарно-гигиенического состояния
объектов внешней среды

40.

Бактериологический метод
Достоинства:
Высокая достоверность
Информация об АБ-чувствительности
Эпидемиологические исследования
(источник инфекции)
Недостатки:
Длительность
Трудоемкость
Ограниченность
применения

41.

I этап
Этапы бактериологического
метода
Взятие материала, доставка
в лабораторию
Мазок, окраска по Граму,
ориентировочная
микроскопия
Посев на жидкие и плотные
питательные среды
Инкубация
II этап
Описание характера роста
Отбор подозрительных
колоний
Мазок, окраска по Граму,
микроскопия
Посев на скошенный агар
Инкубация

42.

Этапы бактериологического
метода
III этап
Определение чистоты культуры:
визуально
микроскопически
Изучение биохимических, антигенных,
патогенных свойств
Фаго- и бактериоцинотипирование
Определение чувствительности к АБ
IV этап
Учет результатов
Идентификация
Окончательный
ответ

43.

Методы создания анаэробиоза
Физико-механическая изоляция О2:
Анаэростат
Удаление О2 при помощи горящей свечи в
эксикаторе
Кипячение питательной среды

44.

Методы создания анаэробиоза
Физико-механическая изоляция О2:
Метод Вейнберга – посев материала уколом в
высокий столбик сахарного агара
Метод Вейон-Виньяля – перемещенный с
сахарным агаром материал помещают в
пастеровскую пробирку и кончики запаивают
Метод Перетца – в глубине агара под стеклянной
пластинкой вырастают анаэробы

45.

Методы создания анаэробиоза
Химические методы:
Метод Аристовского – эксикатор с химическими
поглотителями О2 (гидрокарбонат/гидросульфат Na,
цистеин, глюконат/сульфат Fe, пирогаллол,
аскорбиновая кислота, глюкоза)
Питательные среды с редуцирующими и
адсорбирующими О2 веществами (среда ВильсонаБлера – МПА с 1% глюкозой, сульфитом Na и
хлоридом Fe, среда Китта-Тароцци – МПБ с
кусочками печени)

46.

Методы создания анаэробиоза
Биологический метод (метод Фортнера):
по середине агара вырезают канавку, на одну
половину засевают аэробов, а на другую –
анаэробов