Типы и механизмы питания и дыхания бактерий. Ферменты бактерий и их классификация. Значение изучения ферментативной активности для идентификации бактерий

Типы и механизмы питания бактерий.

Для питания бактерии используют самые разнообразные неорганические и органические соединения, что определяет широту их распространения в природе и огромное разнообразие типов питания. Разнообразие типов питания у бактерий определяет их огромное значение в осуществлении круговорота различных элементов в природе

Бактерии нуждаются в таких элементах, как кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, калий и др. Источниками водорода и кислорода являются вода и кислород воздуха у аэробных микробов.

По источнику углерода бактерии делят на:

- автотрофы – источником является СО2;

- гетеротрофы – источниками являются различные органические соединения (глюкоза, спирты, аминокислоты, органические кислоты);

По источнику энергии:

- фототрофы – используют энергию солнечного света;

- хемотрофы – используют энергию химических реакций окисления неорганических и органических соединений.

По донору Н2 (е):

- литотрофы – донором являются неорганические соединения (Н2О, H2S);

- органотрофы – донором являются органические соединения (карбоновые кислоты, аминокислоты, глюкоза и т.д.).

По источнику азота:

- аминоавтотрофы – источником является атмосферный азот, аммонийные соли, нитраты, нитриты;

- аминогетеротрофы – источником являются белки (органические вещества).

Фотоавтотрофы – это фотосинтезирующие бактерии, использующие энергию солнечного света для синтеза органических соединений из неорганических соединений.

Хемоавтоторофы синтезируют органические вещества из СО2 за счет энергии реакций окисления неорганических соединений. К ним относятся нитрифицирующие бактерии (NH3 ® HNO3), серобактерии (H2S ® S; H2SO4), железобактерии (Fe2+ ® Fe3+).

Хемо(органо)гетеротрофы для синтеза собственных органических соединений используют энергию окисления других органических веществ, которые являются одновременно и источниками углерода. К ним относится большинство бактерий:

а) сапрофиты, использующие органические вещества отмерших организмов (бактерии брожения и бактерии гниения);

б) симбионты, использующие органические вещества других живых организмов, не нанося им вреда (образуют симбиоз);

в) паразиты, использующие органические вещества живых организмов, нанося им вред. Паразиты бывают облигатные (способны жить и расти только внутри живой клетки) и факультативные (после гибели хозяина питаются сапрофитно).

Микроорганизмы, способные синтезировать все соединения из глюкозы и солей аммония называются прототрофами.

Микроорганизмы, которые не способны синтезировать все соединения, называются ауксотрофами (многие патогенные бактерии).

Вещества, которые микроорганизмы не способны синтезировать, называются факторами роста. Они должны поступать в клетку в готовом виде. Это аминокислоты, витамины В5, В2, В1, В3, В6, фолиевая кислота, парааминобензойная кислота (ПАБК).

Особенность питания бактерий - поглощение веществ из среды всей поверхностью тела.

Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы (до 600), Н2О, ионы. Цитоплазматическая мембрана обладает избирательной проницаемостью. Мембрана является основным регулятором поступления веществ в клетку.

Механизмы транспорта через мембрану:

а) простая диффузия – вещества транспортируются без затраты энергии по направлению меньшей концентрации;

б) облегченная диффузия – происходит при большей концентрации веществ вне клетки при участии транспортных белков - пермеаз;

в) активный транспорт – осуществляется против разницы концентрации с затратой энергии при помощи транспортных белков;

г) транслокация химических групп – в процессе переноса через мембрану молекула вещества химически изменяется.

Дыхание бактерий.

Дыхание (биологическое окисление) – окислительно-восстановительные реакции, идущие с выделением энергии и образованием АТФ. Субстраты дыхания: глюкоза, аминокислоты, спирты и др.

Аэробное дыхание – участвует кислород.

Анаэробное дыхание – без участия кислорода.

При аэробном расщеплении выделяется значительно больше энергии, т.е. оно энергетически более выгодно, чем анаэробное расщепление.

Брожение – неполное окисление в анаэробных условиях.

Продуктами брожения могут быть этиловый спирт, молочная, масляная, уксусная, пропионовая кислоты. Различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, маслянокислое, пропионовокислое и другие виды брожения.

По типу дыхания бактерии делят на 3 группы:

1.Облигатные аэробы - бактерии, которые могут расти только при наличии кислорода. К ним относятся бруцеллы, микрококки, микобактерии туберкулеза (для роста необходимо около 20% кислорода).

2. Облигатные анаэробы - бактерии, которые растут только при отсутствии кислорода (в анаэробных условиях). Для облигатных анаэробов кислород токсичен, т.к. у них отсутствуют ферменты (каталаза, супероксиддисмутаза), нейтрализующие перекисные радикалы кислорода. К облигатным анаэробам относятся возбудители ботулизма, газовой гангрены, столбняка. Для них характерно сульфатное дыхание, при котором акцептором водорода являются сульфаты, восстанавливающиеся до H2S. При выращивании таких бактерий необходимо создавать анаэробные условия.

3. Факультативные анаэробы - бактерии, которые могут расти как при наличии, так и отсутствии кислорода, т.к. они способны переключаться с анаэробного дыхания на аэробное дыхание. К ним относится большинство патогенных и сапрофитных бактерий (E. coli и др.). Для них характерно нитратное дыхание, при котором акцептором водорода являются нитраты, восстанавливающиеся до N2 и NH3.

Ферменты бактерий.

Ферменты – это биологические катализаторы (повышают скорость химических реакций). По химической природе они являются белками.

Как и ферменты других организмов, бактериальные ферменты делят на 6 классов в соответствии с типом катализируемых реакций:

- 1 класс – оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции;

- 2 класс – трансферазы – катализируют реакции переноса различных групп от одних соединений к другим;

- 3 класс – гидролазы – катализируют реакции расщепления веществ на более простые соединения с участием воды;

- 4 класс – лиазы – катализируют реакции отщепления (или присоединения) от субстратов различных химических групп негидролитическим путем;

- 5 класс – изомеразы – катализируют реакции изомеризации, т.е. превращения органических веществ в их изомеры;

- 6 класс – лигазы – катализируют реакции синтеза сложных соединений из более простых соединений.

Ферменты бактерий делят на экзо- и эндоферменты.

Эндоферментыкатализируют процессы внутри клетки. Экзоферменты выделяются бактериями в окружающую среду. Это ферменты: а) пищеварительные ферменты, которые расщепляют сложные питательные вещества до простых веществ; б) защитные ферменты, например, пенициллиназа защищает клеточную стенку от действия антибиотика пенициллина; в) ферменты агрессии – факторы вирулентности патогенных бактерий;

- гиалуронидаза – расщепляет гиалуроновую кислоту;

- дезоксирибонуклеаза – расщепляет ДНК клеток;

- фибринолизин – расщепляет коллаген;

- плазмокоагулаза – свертывает плазму крови;

- нейраминидаза – расщепляет нейраминовую кислоту;

- лецитовителлаза – расщепляет лецитин.