Лекция № 4. Физиология микроорганизмов

Вопросы:

• 1. Химический состав клеток микроорганизмов.
• 2. Способы питания и поступления в клетку различных веществ
• 3. Типы питания и дыхания микроорганизмов.
• 4. Рост и развитие микроорганизмов.
• 1. Химический состав микроорганизмов. Вегетативные клетки микроорганизмов содержат до 85% воды. Сухое вещество тела состоит в основном из органических соединений и небольшого количества минеральных веществ. Среди органических веществ клетки на долю белков у бактерий приходится 50 — 80% от массы сухих веществ (у дрожжей 40 — 60%, у грибов 15 — 40%). Содержание жиров и липидов в клетках микроорганизмов составляет 3 — 7% (у дрожжей до 40% от массы сухих веществ).

Около 15% составляют минеральные вещества. В дрожжевой клетке 50% от всех неорганических соединений составляет фосфорная кислота и 30% - калий, остальное количество процентов от массы сухих веществ составляют углеводы. В дрожжевой клетке они представлениы в основном гликогеном, в клетках других микроорганизмов они встречаются в виде пентоз, гексоз, декстринов, клетчатки и гликогена. В клетках дрожжей содержатся витамины группы В и провитамин Д.

2. Способы питания и поступления в клетку различных веществ.

Питание — это процесс усвоения микробной клеткой питательных веществ, поступающих из окружающей среды, в результате которого они превращаются в составные части биологических структур клетки или откладываются в ней в виде запасных веществ.

Большинство микроорганизмов обладает голофитным способом питания или внеклеточным пищеварением, которое происходит в окружающей среде (субстрате) под влиянием экзоферментов микроорганизмов.

Существует также голозойный тип питания, так называемое внутриклеточное пищеварение, которое происходит внутри клетки под действием эндоферментов.

Существует четыре механизма проникновения веществ из окружающей среды через клеточную мембрану в цитоплазму клетки.

• 1. Пассивная диффузия. Переносимое вещество не взаимодействует специфически с компонентами клеточной мембраны. Оно проходит сквозь мембрану за счет градиента концентрации компонентов по обе стороны мембраны. То есть до тех пор, пока не установится равновесие между концентрациями внутри и снаружи клетки. Внутреннее напряжение бактериальной клетки (тургор) является одним из основных условий, обеспечивающих нормальное поступление в нее питательных веществ.
• 2. Облегченная диффузия. Скорость транспорта веществ в клетку в условиях повышения концентрации субстрата возрастает до определенного предела. Кроме градиента концентрации функционируют электрические переносчики, находящиеся в мембране: субстрат соединяется с протоном и белком-переносчиком и по электрическому градиенту диффундирует в клетку. Переносчики специфичны по отношению к субстрату.
• 3. Активный транспорт. Совместно с белком-переносчиком функционирует специальная система, обеспечивающая процесс переноса с использованием энергии. Система связана с биологическим окислением в клетке, при котором в дыхательной цепи мембраны происходит выброс протонов, обеспечивающих мембранный потенциал. В процессе жизнедеятельности происходит постоянный вынос протонов из клетки в среду, вследствие чего их концентрация в клетке снижается. Таким образом, образовавшийся вне клетки комплекс переносчик-протон-субстрат, проникнув внутрь клетки, распадается за счет отсоединения протона, и субстрат остается в цитоплазме.
• 4. Перенос групп. Отличается от активного транспорта тем, что субстрат появляется внутри клетки в виде фосфорного эфира.
• 3. Типы питания микроорганизмов. По типу питания микроорганизмы делят в зависимости от источников потребления энергии и углерода, различают 2 группы в одном и другом случае. По отношению к энергии:
• 1) фототрофы — организмы, которые пользуются энергией солнечного света;
• 2) хемотрофы — пользуются энергией, заключающейся в разнообразных органических соединениях;

По отношению к углероду:

• 1) автотрофы — микроорганизмы, которые используют в качестве источника углерода углекислый газ;
• 2) гетеротрофы — получают углерод в составе органических соединений.

Таким образом все микроорганизмы можно разделить на 4 группы: фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы, хемогетеротрофы. В каждой из этих групп выделяют также органотрофы, которые получают энергию за счет разложения органических веществ, и литотрофы, получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. То есть, возможно, 8 видов питания.

Наиболее широко распространены 2 вида питания: фотолитоавтотрфный (растения, водоросли, некоторые бактерии) и хемоорганогетеротрофный (все животные, грибы, некоторые бактерии). Остальные виды питания встречаются в специфических условиях. Микроорганизмы, которые питаются мертвой органической материей, — сапрофиты. По источникам азота их делят на 3 группы:

• 1) могут развиваться только при наличии сложных органических форм азота (молочнокислые, гнилостные бактерии);
• 2) могут развиваться при наличии одной или двух аминокислот, остальные синтезируют сами (многие грибы, актиномицеты);
• 3) усваивают азот из атмосферы, затем восстанавливают азот до аммиака, из которого синтезируют аминокислоты (клубеньковые бактерии);

Типы дыхания микроорганизмов. По отношению к кислороду микроорганизмы делят на 2 группы:

• 1) аэробы — используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород;
• 2) анаэробы — используют в качестве конечного акцептора какие-либо другие вещества.
• 4. Особенности развития и роста микроорганизмов. Все микроорганизмы проходят ряд стадий развития.
• 1 стадия — лаг-фаза: в это время происходит процесс приспособления бактерий к окружающей среде и процесс приспособления бактериями среды для последующего размножения. На этой стадии бактерии не размножаются, причины могут быть внешними и внутренними. Внешние: не вполне благоприятное значение рН; состав среды не совпадает с тем, к которому уже приспособились бактерии. Внутренние: отсутствие готовности клетки к делению, которое зависит от возраста посевного материала; в клетках повышенное содержание нуклеиновых кислот, увеличивается объем клеток. Длительность этой стадии имеет видовую специфичность.
• 2 стадия — фаза интенсивного размножения (экспоненциальная). В это время клетки снабжены питательными веществами и не накопили вредных продуктов обмена. Поэтому размножение имеет максимальную скорость.

По мере исчерпания запасов питательных веществ и накопления отбросов жизнедеятельности размножение замедляется, в определенный период количество вновь образующихся и умирающих клеток становится равным. Это 3 стадия — стационарный период.

4 стадия — фаза отмирания. В этот период преобладает отмирание клеток. Если в клетках не содержится активных протеолитических ферментов и нет условий для самопереваривания, то мертвые клетки остаются в среде, создается мутность среды. Если есть активные ферменты, мертвые клетки растворяются и общее число клеток в культуре сильно падает.

Культивирование микроорганизмов. Для выделения микроорганизмов из естественных субстратов, прежде всего, получают накопительные культуры в избирательных условиях. Избирательные (элективные) условия — это условия, благоприятные или переносимые выделенной культурой и неблагоприятные для всех других микроорганизмов. В этих условиях происходит обогащение микробного комплекса выделенными формами и угнетение других организмов. После получения накопительной культуры приступают к выделению чистой культуры. Чистая культура представляет собой потомство одной клетки.

В лабораторных условиях микроорганизмы культивируют на питательных средах, которые содержат все вещества, необходимые для их роста. Существуют специальные способы культивирования аэробных и анаэробных микроорганизмов.