Общая характеристика конструктивного и энергетического метаболизма прокариот. Культивирование микроорганизмов

1.

Общая характеристика конструктивного и
энергетического метаболизма прокариот
Культивирование микроорганизмов
В.В. Леонов, 2013
Ханты-Мансийская государственная медицинская академия
Кафедра биологии с курсом микробиологии

2. Химический состав бактерий

Химический
Химическийсостав
состав прокариот
бактерий
• Вода – 70%
• Сухое вещество – 30%
белки – 50%
полисахариды – 15%
липиды – 10%
РНК – 15%
ДНК – 3,5%
неорганические соединения

3.

Пищевые потребности прокариот
Источники углерода
•С – из органических соединений (углеводы)
1. Автотрофы
2. Гетеротрофы
Паразиты
Облигатные
Сапрофиты
Факультативные
От греч. trophе – растение
autos – сам
heteros – другой
sapros – гнилой

4.

Пищевые потребности прокариот
Источники азота
• N – соли аммония, аминокислоты, белки и др.
NO3- + НАДН2 NO2- + НАД+ + Н2О
NO2- + 3НАДН2 + Н+ NH3 + 3НАД+ + 2Н2О
Источники серы и фосфора
• S – сульфаты, цистеин, метионин и др.
• Р – соли фосфорной кислоты

5.

Пищевые потребности прокариот
Источники кислорода
•О – О2, Н2О, органические соединения
Аэробы
Облигатные Факультативные
Анаэробы
Облигатные
Растущие на
Строгие
воздухе
Микроаэрофильные
Аэротолерантные

6.

Пищевые потребности прокариот
Факторы роста
Это
вещества
(низкомолекулярные),
которые
не
могут
синтезировать
микроорганизмы, но необходимые для их
роста
1. Ауксотрофы
2. Прототрофы

7.

Питательные среды
Классификация по составу
1. Естественные
2. Искусственные
Отдельно
выделяют
полусинтетические
синтетические
и

8.

Питательные среды
Классификация по консистенции
1. Жидкие
2. Полужидкие
3. Плотные
Агар – это полисахарид, построенный из агарозы и
агаропектина
Тпл. = 100°С, Тзатв.= 45°С
15-20 г/л – твердая питательная среда
1,5-4,0 г/л – полужидкая питательная среда

9.

Питательные среды
Вальтер Гессе
(1846-1911)
Ангелина Гессе
(1850-1934)
Клон – культура микроорганизмов, выращенная из
одной клетки

10.

Питательные среды
Классификация по назначению
1. Общие
2. Элективные
3. Дифференциально-диагностические
4. Консервирующие (транспортные)
5. Накопления

11.

Условия культивирования
Кислотность среды
1. Нейтрофилы (рН = 7)
2. Ацидофилы (рН 7)
3. Алкалофилы (рН 7)
4. Кислотоустойчивые
5. Щелочеустойчивые
Буферные системы: КН2РО4 – Na2HPO4 и др.

12.

Питательные среды
Температура
1. Мезофилы (Топт. = 20-45°С)
2. Термотолерантные (растут при 50°С)
3. Термофилы (Топт. 40°С)
4. Психрофилы (Топт. 20°С)
Вода и осмотическое давление
Галофилы – микроорганизмы, которые лучше растут
на средах с высоким содержанием солей

13.

Питательные среды
Аэрация
1 л воды при 20°С содержит 6,2 мг/0,28 моль О2
Методы создания анаэробиоза
1. Физические методы
• культивирование в анаэростатах
• посев уколом в высокий столбик агара
• кипячение питательных сред перед посевом
• вазелиновое масло
• метод Перетца
• трубки Винь-Вейона

14.

Питательные среды
Анаэростаты
Анаэробная камера Bug box
Анаэростат
Вакуумный
эксикатор

15.

Питательные среды
Методы создания анаэробиоза
1. Химические методы
• добавление редуцирующих веществ
• использование химических реакций, протекание
которых происходит с поглощением кислорода
2. Биологические методы
Метод Фортнера
Газогенерирующий пакет
Анаэрогаз

16.

Размножение бактерий
Бактерии
размножаются
бинарным
делением
пополам, реже – почкованием, митоза НЕТ.
- грамположительные бактерии делятся путём
врастания перегородок деления внутрь клетки
- грамотрицательные путём перетяжки
Деление S.aureus
Деление E. coli

17.

Стационарная
фаза
Кривая роста бактерий
в периодической культуре
N – число клеток, КОЕ/мл
Глюкоза : Сорбитол
1:3
2:2
3:1
Фаза
отмирания
Лаг-фаза
N
Лог-фаза
Рост бактерий
Феномен диауксии или
двухфазного роста E.coli
t, ч

18.

Транспорт питательных веществ
Транспорт веществ в
бактериальную клетку
Наружная
мембрана
Мембрана
Внутренняя
мембрана
Простая диффузия
Облегченная диффузия
Энергия
Активный транспорт
ФЕП
НРr~P
Транслокация групп
НРr
Пируват
Р

19.

Транспорт питательных веществ
Виды активного транспорта
Наружная
мембрана
Мембрана
Внутренняя
мембрана
Наружная
мембрана
Мембрана
B
A
Симпорт А и Н+
Симпорт В и Na+
Na+
H+
Наружная
мембрана
Внутренняя
мембрана
Мембрана
Внутренняя
мембрана
Наружная
мембрана
Мембрана
Внутренняя
мембрана
H+
Антипорт Н+ и Na+
Na+
К+
Унипорт К+

20.

Бактериологический метод
диагностики
1 этап
Посев исследуемого материала на питательные среды
методом «разобщения»

21.

Бактериологический метод
диагностики
2 этап
Изучение культуральных и морфологических свойств;
отсев типичных колоний на скошенный агар для
накопления чистой культуры
3 этап
Идентификация чистой культуры по совокупности
свойств:
морфологических,
тинкториальных,
культуральных,
биохимических,
антигенных,
токсигенных, чувствительности к антибиотикам и
бактериофагам

22.

Бактериологический метод
диагностики

23.

Обмен веществ у прокариот
Метаболизм – это совокупность биохимических
процессов, протекающих в клетке и обеспечивающих
ее жизнедеятельность.
1. Конструктивный метаболизм (анаболизм)
2. Энергетический метаболизм (катаболизм)

24.

Обмен веществ у прокариот
Ферменты
1. Оксидоредуктазы
2. Трансферазы
3. Гидролазы
4. Лиазы
5. Изомеразы
6. Лигазы (синтетазы)

25.

Обмен веществ у прокариот
Ферменты
• Эндоферменты
участвуют
в
реакциях
внутриклеточного метаболизма
• Экзоферменты – продуцируются в окружающую
среду и осуществляют расщепление сложных
питательных веществ (внеклеточное переваривание)
• Конститутивные – синтезируются всегда
• Индуцибельные – синтезируются только в присутствии
соответствующего субстрата
(β-галактозидаза – синтезируется только при наличии в
питательной среде лактозы)

26.

Конструктивный метаболизм
Это поток реакций, в результате которых за счет
поступающих извне веществ строится вещество
клеток; это процесс связанный с поступлением
свободной энергии в виде АТФ или других богатых
энергией соединений
1. Биосинтез углеводов
2. Биосинтез липидов
3. Биосинтез аминокислот
4. Биосинтез мононуклеотидов

27.

Энергетический метаболизм
Это поток реакций, сопровождающихся мобилизацией
энергии и преобразованием ее в электрохимическую
(ΔμН+) или химическую (АТФ) форму, которая затем
может использоваться во всех энергозависимых
процессах
Способы получения энергии
1. Дыхание
2. Брожение
3. Фотосинтез

28.

Дыхание
1. Аэробное дыхание (конечный акцептор О2)
2. Анаэробное дыхание (конечный акцептор фумарат,
NO2-, NO3-, S, Fe3+ и др.)
АТФ образуется за счет окислительного
фосфорилирования!!!

29.

Энергетический метаболизм
Дыхательные цепи

30.

Энергетический метаболизм
Дыхательные цепи
межмембранное
пространство
внутренняя
мембрана
H+
ФМН
H+
2e
Q
2e
H+
2e
вс1
цит С
2e
НАДН2
НАД
H+
+
канал
АТФ
щук
цит аа3
в
о
з
в
р
а
щ
е
н
и
е
H+
АТФ - синтаза
малат
АДФ

31.

Энергетический метаболизм
Дыхательные цепи
Micrococcus luteus
o
НАДН2
FeS/ФП
Менахинон
в
О2
c
a2, a3

32.

Энергетический метаболизм
Дыхательные цепи
Escherichia coli
Сукцинат
НАДН2
FeS/ФП2
FeS/ФП1
Менахинон
ФР
в
o
О2
d
О2

33.

Энергетический метаболизм
Реактивные формы кислорода (РФК)
О·2, НО·2, ОН·, Н2О2, *О2, О, О3
Механизмы защиты:
1. Ферментативные системы (каталаза, пероксидаза,
супероксиддисмутаза)
2. Клеточные метаболиты – «тушители»
-токоферол, каротиноиды, хлорофиллы

34. Сущность анаэробиоза

СУБСТРАТ R X H СУБСТРАТ R X H
СУБСТРАТ O2 СУБСТРАТ O 2
O 2 e O 22
O22 2H H 2 O2
Супероксиддисмутаза
Н 2 О 2 Н 2 О 2 2Н 2 О О 2
Каталаза
O 2 H 2 О2 O2 ОН НО
Бактерия
- нет супероксиддисмутазы – строгие анаэробы
- есть супероксиддисмутаза, но нет каталазы и
пероксидазы – аэротолерантные анаэробы

35.

Энергетический метаболизм
По механизму преобразования энергии выделяют
группы прокариот:
1. Фототрофы
2. Хемотрофы
По донорам Н и С выделяют группы прокариот:
1. Органотрофы Хемолитоавтотрофы
Хемолитогетеротрофы
2. Литотрофы
Хемоорганоавтотрофы
Хемоорганогетеротрофы
Фотолитоавтотрофы
Фотолитогетеротрофы
Фотоорганоавтотрофы
Фотоорганогетеротрофы

36.

Энергетический метаболизм
Брожение
Это
процесс
окисления
анаэробного
(субстратное фосфорилирование)
типа
Брожение – процесс при котором регенерируется АТФ,
а продукты расщепления органического субстрата
могут служить одновременно и донорами, и
акцепторами водорода

37.

Энергетический метаболизм
Брожение
Стадии брожения:
1. Окисление субстрата
2. Восстановление пирувата в продукты брожения
АТФ
образуется
за
счет
субстратного
фосфорилирования
Все брожения классифицируют по продуктам

38.

Энергетический метаболизм
Спиртовое брожение
2Пируват
Глюкоза
2
НАД+
Этанол
Sarcina ventriculi
Saccharomyces cerevisiae
2
НАДН2
2Ацетальдегид
2 АТФ
СО2

39.

Энергетический метаболизм
Молочнокислое брожение
Гомоферментативное
Глюкоза
2
НАД+
2
НАДН2
2Пируват
Лактат
Streptococcus spp.
Lactobacillus spp.
2 АТФ

40.

Энергетический метаболизм
Молочнокислое брожение
Гетероферментативное
Глюкоза
2
НАД+
2
НАДН2
2Пируват
Ацетат
Этанол
Лактат
Leuconostoc spp.
Bifidobacterium spp.
Lactobacillus spp.
2 АТФ

41.

Энергетический метаболизм
Пропионовокислое брожение
Пируват
Субстрат
Пропановая
кислота
биотин-СО2
Пропионил-КоА
Propionibacterium spp.
Veillonella alcalescens
биотин
МетилмалонилКо-А
4 АТФ

42.

Энергетический метаболизм
Маслянокислое брожение
2Пируват
Глюкоза
2
Изопропанол
Clostridium spp.
НАД+
2
НАДН2
Бутирил-КоА
Масляная
кислота
4НАДН2
4НАД+
Бутанол
3,3 моль АТФ

43. Итого:

ГЛЮКОЗА
2 АТФ
Дыхание:
Гликолиз
Ас-КоА
2 ПВК
Дыхательная цепь
Брожение:
Органические
кислоты
е-
ЦТК
12 е-
2-4 АТФ
Облигатные и
факультативные
анаэробы
12 Н+
О2
Облигатные аэробы,
Микроаэрофилы,
Факультативные анаэробы
36 АТФ
Акцептор
Нитраты
Некоторые факультативные
анаэробы