Ферменты и их роль в обмене веществ
Лекция №3
«Физиология и биохимия микроорганизмов»
Физиология изучает жизненные функции микроорганизмов: питание, дыхание, рост и развитие.
В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ (метаболизм)
Сущность обмена веществ составляют два противоположных и взаимосвязанных процесса:
- Ассимиляция (анаболизм) – синтез веществ
- Диссимиляция (катаболизм) – распад веществ
Особенностью микроорганизмов является интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна клетка может перерабатывать такое количество питательных веществ, которое в 30-40 раз больше ее массы.
Химический состав бактерий
- химические вещества те же, что и в клетках всех живых организмов.
Важнейшими элементами являются органогены (углерод, водород, кислород, азот), которые используются для построения сложных органических веществ (белков, углеводов, липидов). Микроорганизмы содержат также зольные и минеральные элементы. Большая часть их связана химически с органическими веществами, остальные присутствуют в клетке в виде солей.
В количественном отношении самым значительным элементом клетки является вода.
Вода 75-85%. Значение: поступление и удаление веществ. Свободная вода принимает участие в химических реакциях, является растворителем различных химических соединений. Служит дисперсной средой для коллоидов.
|
|
|
Большая часть воды связана с различными химическими компонентами клетки (белками, углеводами и липидами) и входит в состав клеточных структур.
Содержание свободной воды в клетке может меняться в зависимости от условий окружающей среды, физиологического состояния клетки, её возраста. У споровых бактерий значительно меньше, чем у вегетативных клеток.
Белки–(50-80% сухого вещества) определяют важнейшие биологические свойства микроорганизмов.
Простые белки – протеины
Сложные белки – протеиды
Соединение белка и нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) – нуклеопротеиды.
Белки находятся в цитоплазме, нуклеоиде, входят в состав клеточной стенки. К белкам принадлежатферменты, многие токсины (яды микроорганизмов)
Видовая специфичность микроорганизмов зависит от количественного и качественного состава белковых веществ.
Нуклеиновые кислоты. ДНК содержится в нуклеоиде и обуславливает генетические свойства микроорганизмов. РНК участвует в синтезе белков, содержится в цитоплазме.
Углеводы (12-18% сухого вещества) источник энергии и углерода. Из них состоят многие структурные компоненты клетки (клеточная оболочка, капсула и др.).углеводы входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной для Г+ бактерий.
|
|
|
Клетки содержат: простые (моно и ди сахариды) и сложные (полисахариды) углеводы.
Могут быть включения по химическому составу напоминающие гликоген и крахмал – запасные питательные вещества.
Липиды (0,2-40% сухого вещества) входят в состав цитоплазматический мембраны и клеточной стенки, участвуют в энергетическом обмене. В некоторых микробных клетках исполняют роль запасных питательных веществ.
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 и др.) 2-14% сухого вещества. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, ферментов.
Натрий– поддерживает осмотическое давление в клетке
Железо– содержится в дыхательных ферментах
Магний– входит в состав рибонуклеата магния, который локализован на поверхности Г+ бактерий
Микроэлементы– (кобальт, марганец, медь, хром, цинк, молибден и др.) необходимы для развития клетки, участвуют в синтезе ферментов и активируют их.
Соотношение химических элементов и соединений в микробной клетке может колебаться в зависимости от вида микроорганизма, состава питательной среды, характера обмена и условий существования во внешней среде.
|
|
|
Питание бактерий
В качестве питательных веществ и источников энергии микроорганизмы используют различные органические и неорганические соединения, микроэлементы и факторы роста.
Процесс питания микроорганизмов имеет ряд особенностей:
1. Поступление питательных веществ происходит через всю поверхность клетки
2. Клетка обладает исключительной быстротой метаболических реакций
3. Микроорганизмы способны довольно быстро адаптироваться к изменяющимся условиям среды обитания
Типы питания определяются по характеру усвоения углерода и азота. Источником водорода и кислорода служит вода, которая растворяет питательные вещества.
По усвоению углерода (С) микроорганизмы делятся на:
1. Автотрофы – способны синтезировать сложные органические вещества из простых неорганических соединений (почвенные бактерии)
2. Гетеротрофы – нуждаются в готовых органических соединениях
a. Сапрофиты – получают готовые органические соединения от отмерших организмов (бактерии гниения)
b. Паразиты (с греческого - нахлебники) – живут и размножаются за счет органических веществ живой клетки (риккетсии, вирусы, некоторые простейшие)
|
|
|
По способности усваивать азот (N) микроорганизмы делятся:
1. Аминоавтотрофы – для синтеза белка клетки используют молекулярный азот воздуха (клубеньковые бактерии)
2. Аминогетеротрофы – получают азот из органических соединений (аминокислот, сложных белков)
По источникам энергии среди микроорганизмов различают:
1. Фототрофы - используют для синтеза энергию солнечного света (пурпурные серобактерии)
2. Хемотрофы – получают энергию за счет окисления неорганических веществ (нитрифицирующие бактерии) и органических соединений (большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды)
Резкой границы между типами питания нет, так как есть виды, которые могут переходить от гетерогенного типа к автотрофному и наоборот.
Факторы роста – вещества, которые нужны микробной клетке в небольших количествах. Микроорганизмы не могут синтезировать их сами и должны получать их в готовом виде.
Факторы роста входят в состав различных ферментов и играют роль катализаторов в биохимических процессах.
Дыхание бактерий
Дыхание (биологическое окисление) – совокупность биохимических процессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микробных клеток.
Микроорганизмы добывают энергию за счет окисления различных химических соединений (углеводов, спиртов, органических кислот, жиров и т.д.). Сущность окисления состоит в том, что окисляемое вещество отдает электроны, а восстанавливаемое получает их.
По типу дыхания микроорганизмы делятся на:
1. Облигатные (строгие) аэробы – живут и развиваются при свободном доступе кислорода (возбудитель туберкулеза)
2. Облигатные анаэробы – способны жить и развиваться только в отсутствие свободного кислорода воздуха (возбудители столбняка, ботулизма)
3. Факультативные анаэробы – могут жить и развиваться как при наличии кислорода, так и при его отсутствии. (Большинство патогенных и сапрофитных бактерий)
Процессы разложения органических веществ в бескислородных условиях, сопровождающиеся выделением энергии, называют брожением. В зависимости от участия определенных микроорганизмов и конечных продуктов расщепления углеводов различают несколько типов брожения: спиртовое (дрожжи), молочнокислое (молочнокислые бактерии), масляно-кислое (масляно-кислые бактерии) и др.
Рост и размножение бактерий
Рост – увеличение размеров отдельной особи
Размножение – способность микроорганизмов к самовоспроизведению, в результате чего увеличивается число особей в популяции.
Основной способ размножения – поперечное деление.
Перед делением удваивается ДНК, каждая дочерняя клетка получает копию материнской ДНК. Процесс деления закончен, когда цитоплазма дочерних клеток разделена перегородкой. В образовании перегородки принимает участие цитоплазматическая мембрана и клеточная стенка.
Деление
1. Изоморфное (перегородки в середине, клетки одинаковой величины)
2. Гетероморфное (перегородка ближе к одному из концов клетки, клетки разных размеров)
Кокки делятся в разных плоскостях, палочковидные и извитые формы делятся поперечно и только в одной плоскости.У некоторых бактерий размножение происходит путём образования почки (микробактерия туберкулеза) которая по величине меньше исходной клетки.
Скорость размножения велика, что обусловлено интенсивностью обмена. У большинства бактерий каждая клетка делится в течение 15-30 минут. Есть виды, которые делятся медленно – один раз в сутки (микробактерии туберкулеза).
За 24 часа у бактерий сменяется столько поколений, сколько у человека за 5.000 лет. Скорость размножения может быть различным и зависит от возраста культуры питательной среды и температуры и так далее.
Размножение бактерий в жидкой питательной среде обладает рядом особенностей и происходит в несколько последовательных фаз:
1. Фаза – исходная (латентная) клетка адаптируется к питательной, среде повышается интенсивность обменных процессов, увеличивается размер клетки. Концу этой фазы клетка начинает размножаться
2. Фаза – логарифмического роста – бактерии энергично размножается, количество клеток растет в геометрической прогрессии. В этой фазе они обладают наибольшей биохимической и биологической активностью
3. Фаза – стационарная – концентрация клеток в среде остается постоянной. Число вновь появившихся клеток равно числу отмерших
4. Фаза – отмирание – жизнеспособность клеток становится меньше и постепенно они погибают. Причины гибели: истощение питательные среды, накопления в ней вредных продуктов обмена. В этой фазе у бактерий могут изменяться морфологические, биохимические другие свойства.
Гибель клеток может наступить через несколько дней, недель, месяцев.
При размножении на плотных питательных средах бактерии образуют на поверхности среды и внутри неё типичные для каждого микробного вида колонии.
Каждая колония - это популяция микроорганизмов развивавшаяся из одной определенного вида бактерии. Они различаются: по размеру, форме, строению, консистенции и цвету.
Внешний вид колоний у некоторых бактерий настолько характерен, что может служить дифференциальным признаком для идентификации микроорганизмов.
Ферменты и их роль в обмене веществ
Ферменты вещества белковой природы, вырабатываемые живой клеткой. Они являются биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов. Ферменты микробной клетки локализованы в основном в цитоплазме. Некоторые содержатся в нуклеотиде и клеточной оболочке.
Микроорганизмы могут синтезировать самые разнообразные ферменты, относящиеся к 6 известным классам: оксиредуктазы, трансферазы, гидролазы, изомеразы, лигазы и лиазы.
Характерным свойством ферментов является специфичность действия – то есть каждый фермент реагирует с определенными химическими соединениями или катализируют один или несколько близких химических реакций. Например: фермент лактаза расщепляет лактозу, мальтаза – мальтозу. Активность ферментов зависит от температуры среды и PH.
Ферменты микроорганизмов классифицируются на:
1. Экзоферменты– выделяются во внешнюю среду, расщепляют микромолекулы питательных веществ до более простых соединений, которые могут быть усвоены микробной клеткой
2. Эндоферменты – участвуют в реакциях обмена веществ, происходящих внутри клетки
Также у микроорганизмов различают ферменты обмена
1. Конститутивные – постоянно находятся в микробной клетке, это ферменты клеточного обмена
2. Индуктивные – адаптивные синтезируются в клетке только под влиянием соответствующего субстрата находящегося в питательной среде и когда микроорганизм вынужден его усваивать. Они позволяют микроорганизмам приспособиться к изменяющимся условиям существования.
Наряду с ферментами обмена многие патогенные бактерии вырабатывают ферменты агрессии, которые служат для преодоления естественных защитных барьеров микроорганизма и являются факторами патогенности.
Выделение микроорганизмами различных ферментов определяет их биологические свойства. Ферментный состав любого микроорганизма достаточно постоянный.
Практическое использование микробных ферментов в мед промышленности (витамины, гормоны), в хлебопечении, сельском хозяйстве, пивоварении, виноделии.
Пигменты микроорганизмов
– красящие вещества, вырабатывающиеся в процессе обмена веществ.
По химическому составу и свойствам они не однородны.
Подразделяются на:
1. Растворимые в воде (синий пигмент – пиоцианин, выделяемый синегнойной палочкой)
2. Растворимые в спирте и нерастворимые в воде (красный пигмент – продигиозан, выделяемый чудесной палочкой)
3. Нерастворимые ни в воде, ни в спирте (черные и бурые пигменты, выделяемые чудесной палочкой).
Нерастворимые в воде пигменты окрашивают колонии бактерий, растворимые – питательную среду. Образование пигментов микроорганизмами происходит на свету при достаточном доступе кислорода и определенном составе питательной среды.
Вывод темы: физиологические процессы используются в диагностике. Питание, дыхание, размножение – используются при выращивании на питательных средах в лабораторных условиях; а при росте размножении в организме развиваются следующие процессы: размножения микробов в органе приводит к нарушению его анатомической целостности и нарушению функции органа, отсюда симптомы заболеваний: гепатит (нарушение печени), дизентерия (боли в животе) и так далее.
В процессе размножения происходит не только появление новых клеток, но гибель, распад старых сопровождающийся выходом эндотоксина, который вызывает общую интоксикацию организма человека, что проявляется в большей или меньшей степени при любом инфекционном заболевании.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 30; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!