Физиология микроорганизмов.

Физиология микроорганизмов – это раздел микробиологии, который изучает жизненные функции микроорганизмов, то есть химический состав, питание, энергетические процессы, рост и развитие организмов, реакцию на внешнее раздражение и взаимодействие организмов с внешней средой.

Химический состав микробной клетки.

Микробная клетка содержит от 75 до 85% воды и от 25 до 15% сухого вещества.

В состав клетки входят следующие элементы органогены: углерод (50%), азот (5-12%), водород (7%), кислород (30-40%). Зольные элементы (входят в состав золы после сжигания): фосфор (50%), калий, натрий, магний, сера, кальций, хлор, железо, микроэлементы (в порядке убывания содержания).

В сухом веществе микроорганизмов преобладают белки (до 80%), углеводы (от 10 до 40%), липиды (от 1 до 3%). Кроме того в микробных клетках много витаминов, ферментов и аминокислот. Вода в клетках содержится в свободном и связанном состоянии. В свободном – в цитоплазме, где она растворяет различные вещества. В связанном – она входит в состав молекул белка, солей, и других соединений.

Для выращивания (культивирования) микроорганизмов необходимы питательные среды. Их составляют с учетом химического состава клетки, т.е. питательная среда должна содержать все необходимые элементы. Кроме этого питательная среда обязательно должна содержать воду, так как без воды питательные вещества усваиваться не могут.

Ферменты микроорганизмов.

Многие ферменты микроорганизмов аналогичны ферментам растений и животных, но существуют и такие, которые не встречаются ни в растениях, ни у животных.

Ферменты, присущие данному микроорганизму, входящие в число компонентов его клетки, называют конститутивными. Но существуют ферменты индуцируемые или адаптивные, которые вырабатываются клеткой только при добавлении к питательной среде вещества-индуктора, стимулирующего синтез данного фермента. Например, микроорганизм, не усваивающий сахар мальтозу можно приучить к её использованию, выращивая в среде с этим сахаром как единственным источником углерода. В этих условиях микроорганизм синтезирует фермент мальтазу, которым ранее он не обладал.

Некоторые микроорганизмы могут выделять ферменты наружу, в окружающую среду. Их называют экзоферментами. Они играют большую роль в подготовке пищи к её поступлению в клетку, то есть, происходит внеклеточное переваривание пищи. При этом сложные вещества, такие как крахмал, белки, гидролизуются на более простые, способные проникать в клетку.

Ферменты, не выделяющиеся при жизни клетки в окружающую среду, называются эндоферментами (или внутриклеточными). Хотя ферменты вырабатываются клеткой, но и после её смерти они временно остаются в активном состоянии и может произойти автолиз (саморастворение) клетки под действием внутриклеточных ферментов. При разрушении клеток, ферменты поступают в среду, то есть в субстрат, в котором развивались микроорганизмы.

При хранении пищевых продуктов, значительно обсемененных микроорганизмами, даже в условиях, исключающих их развитие, возможно снижение качества продуктов за счет ферментов автолизированных микробных клеток.

Использование микробных ферментов.

Применение ферментов в пищевой и легкой промышленности позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повысить выход и улучшить качество готовой продукции. Использование микроорганизмов для получения ферментов имеет ряд преимуществ по сравнению с растительным и животным сырьем:

1. микроорганизмы обладают богатым набором ферментов и среди них есть такие, которые отсутствуют у животных и в растениях

2. микроорганизмы быстро размножаются и в течение короткого промежутка времени дают огромную массу клеток, из которых можно выделить большое количество ферментов.

3. микроорганизмы растут на относительно дешевых субстратах, например, на отходах различных промышленных производств

4. управлять развитием микроорганизмов в производстве легче и проще, чем выращивать растения и животных

В настоящее время микробные ферментные препараты используются в различных отраслях промышленности. Их получают из плесневых грибов, бактерий и дрожжей.

Из плесневых грибов получают амилолитические ферменты (гидролизующие амилозу). Их применяют для производства этилового спирта из крахмалсодержащего сырья вместо зернового солода (солод – размолотое ячменное зерно пророщенное и высушенное). Грибные амилазы добавляют в пшеничное тесто в процессе хлебопечения. При этом процесс изготовления теста ускоряется и улучшаются его качества.

Глюкоамилаза (гидролизует крахмал до глюкозы), полученная из плесневых грибов используется для получения глюкозной патоки и кристаллической глюкозы из крахмала.

Ферменты микробного происхождения, разрушающие пектин, используются в виноделии, а так же при выделении соков из плодов и ягод. Ферментные препараты, содержащие микробные пептидазы (гидролизуют пептидную связь белка) применяют для повышения стойкости вина и пива (предохраняя их от белкового помутнения), в сыроделии (взамен частично сычужного фермента), а так же для размягчения мяса, ускорения созревания мяса и сельди и получения пищевых гидролизатов из отходов рыбной и мясной промышленности.

Питание микробной клетки.

На Земле существует два способа питания:

1. Голозойное питание. При голозойном питании имеются органы, способные захватывать плотные частицы пищи и переваривать их внутри. Этим способом питаются животные, рыбы, птицы и так далее.

2. Голофитное питание. При голофитном питании происходит всасывание питательных веществ в растворенном виде всей поверхностью тела. Это растения и микроорганизмы.

Установлено, что у микроорганизмов за питание клетки отвечает цитоплазматическая мембрана. Она обладает избирательной способностью и пропускает только те вещества, которые могут быть усвоены клетками. В цитоплазматической мембране находятся ферменты (они названы пермеазами), которые являются переносчиками питательных веществ внутрь клетки. Обмен веществ микробной клетки складывается их двух процессов: ассимиляция (поступление питательных веществ), диссимиляция (распад и выделение продуктов жизнедеятельности). Наиболее известны два пути проникновения веществ в микробную клетку:

1. пассивное питание. Пассивный процесс питания основан на диффузии веществ через цитоплазматическую мембрану без затраты энергии. Движущей силой этого процесса является разность концентрации питательных веществ внутри клетки и в окружающей среде, то есть разность осмотического давления. Причем, в зависимости от соотношения концентраций внутри клетки и в среде, различают три состояния клетки:

   1. Тургор. В этом случае концентрация веществ в клетке больше, чем в окружающей среде. Вода будет идти в клетку. Вместе с водой поступают питательные вещества, но выравнивание концентраций не происходит, так как питательные вещества расходуются в процессах обмена веществ. Клетка находится в упругом жизнеспособном состоянии и цитоплазматическая мембрана плотно прилегает к клеточной стенке

2. Плазмолиз. В этом случае концентрация веществ в клетке меньше, чем в окружающей среде. Вода будет уходить из клетки. Так как клетка находится в гипертоническом растворе, клетка обезвоживается, цитоплазма сжимается, цитоплазматическая мембрана отстает от клеточной стенки и клетка погибает от обезвоживания. Явление плазмолиза широко используется в пищевой промышленности, например варка варения, посол рыбы.

3. Плазмоптис. Концентрация веществ в клетке во много раз больше, чем в окружающей среде. При этом вода начинает с большой скоростью поступать внутрь клетки, клетка не выдерживает, набухает и лопается.

1. активный транспорт. При таком способе питания, питательные вещества поступают в клетку против градиента концентрации. Этот процесс требует большой затраты энергии. Энергия расходится за счет гидролиза веществ, обладающих высокоэнергетическими связями. Это аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ). Участие пермиаз в этом случае обязательно

Кроме этих способов питания микроорганизмы способны к внеклеточному перевариванию. При этом они выделяют в окружающую среду экзоферменты, являющиеся гидролазами (ферментами гидролиза) – амилазы (для крахмала), протеазы (для белков). Эти ферменты расщепляют высокомолекулярные субстраты до низкомолекулярных продуктов, которые поступают внутрь клетки. Из них строятся новые вещества, присущие микробной клетке.

Совокупность процессов ассимиляции, то есть усвоения питательных веществ, называют конструктивным обменом или анаболизмом. А совокупность процессов диссимиляции, то есть распада веществ и получение энергии, называют энергетическим обменом или катаболизмом. Оба эти обмены в совокупности составляют общий обмен веществ или иначе метаболизм. Промежуточные продукты обмена веществ называют метаболитами.

Конструктивный обмен микроорганизмов.

Для биосинтеза основных макромолекул клетки, из которых формируются клеточная стенка, мембраны, нуклеоид (ядро), цитоплазма и другие

1. Автотрофные. Автотрофные организмы в качестве единственного источника углерода используют углекислый газ CO₂ или соли угольной кислоты. В зависимости от используемой энергии автотрофные микробы делятся на:

   1. Фотоавтотрофы. Они усваивают СО₂ как и зеленые растения, используя солнечную энергию. Клетки этих микроорганизмов содержат бактериохлорофилл и другие ферменты. К этой группе микробов относят сине-зеленые водоросли, а так же зеленые и пурпурные серобактерии.

   2. Хемоавтотрофы. Для синтеза органических соединений используют энергию химических реакций окисления некоторых минеральных веществ. Например, водородные бактерии получают энергию, окисляя водород с образованием воды; бесцветные серобактерии окисляют сероводород до серной кислоты; а железобактерии превращают закислы железа в окислы.

2. Гетеротрофные. В качестве источников углерода они используют органические соединения и перестраивают их в вещества своих клеток. К этой группе относятся многочисленные бактерии, грибы и дрожжи. В зависимости от вида используемых органических веществ, различают:

   1. Сапрофиты. Они усваивают органические вещества мертвых клеток растительного или животного происхождения. Эти микроорганизмы разлагают органические вещества в природе (почве, воде). Они вызывают порчу пищевых продуктов и некоторые используются в процессах переработки растительного и животного сырья.

   2. Паразиты. Они способны развиваться только в теле других живых организмов, питаясь органическими веществами их клеток. К паразитам относятся возбудители заболеваний человека, животных и растений.

Азотное питание. Азот входит в состав жизненно важных компонентов микробной клетки (белков и нуклеиновых кислот). Источники азота для микробов разные, поэтому микроорганизмы делят на две группы:

1. Аминоавтотрофы. Они синтезируют белок из минеральных или простейших соединений азота, а так же из воздуха. К ним относится большинство почвенных микробов.

2. Аминогетеротрофы. Они используют готовые аминокислоты. К ним относятся патогенные микроорганизмы и некоторые сапрофиты.

Микробная клетка нуждается в минеральных веществах. Потребность в них не велика, однако без некоторых элементов невозможен рост и развитие организма:

• Калий активизирует ферментные системы, ускоряет течение физиологических процессов. Поэтому, калий нельзя заменить другими элементами.

• Магний входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий, активизирует карбоксилазу, пептидазу и другие ферменты.

• Фосфор составляет половину всей золы. Он входит в состав нуклеиновых кислот. В живой клетке находится в форме окисла P₂O₅ и принимает активное участие в процессах дыхания.

• Сера – один из компонентов белков, она входит в состав таких аминокислот как цистеин, цистин и метионин.

• Железо необходимо в малых количествах. Оно входит в состав дыхательных ферментов, ускоряет процессы окисления, содержится в туберкулезной, кишечной и других бактериях.

Дыхание микроорганизмов.

Это биологическое окисление различных органических соединений и некоторых минеральных веществ. В итоге окислительно-восстановительных процессов и брожения, образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду. Тепло, выделяемое микроорганизмами, называется биотопливом. Оно может быть использовано в сельском хозяйстве при создании парников при выращивании ранних овощей.

По типу дыхания, микробов делят на:

1. Аэробов. Аэробные микроорганизмы окисляют глюкозу до углекислого газа, воды, и при этом выделяется большое количество энергии. Неполное окисление: не все аэробы доводят реакцию окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Это лимонная кислота, яблочная кислота, щавелевая кислота, янтарная кислота и другие (они образуются плесневыми грибами). Уксуснокислые бактерии при окислении этилового спирта образуют уксусную кислоту и воду.

2. Анаэробов. Анаэробное дыхание (гликолиз) происходит без участия молекулярного кислорода. Иначе анаэробное дыхание называют брожением. Виды брожения: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое. Анаэробный процесс у микроорганизмов впервые был установлен в 1861 году французским ученым Луи Пастером.

3. Факультативных анаэробов.

Ферменты и их роль в превращении веществ микроорганизмами.

В каждом организме постоянно происходит обмен веществ, то есть, превращение одних веществ в другие. То есть, все реакции обмена веществ происходят под действием ферментов, биологических катализаторов белковой природы. Ферменты микроорганизмов делят на две группы:

1. Эндоферменты. Они прочно связаны с цитоплазмой и осуществляют дальнейшее разложение поступающих питательных веществ и превращение их в составные части клетки.

2. Экзоферменты. Выделяются микробами в окружающую среду, где они производят гидролиз высокомолекулярных питательных веществ до более простых соединений, которые проникают через оболочку микробной клетки и служат строительным материалом.

В 1890 году ученик Луи Пастера Эмиль Дюкло предложил все ферменты называть по веществу, на которое они действуют с добавлением окончания «аза» (например, фермент действующий на крахмал – амилаза, на жиры – липаза, а на белки – протеиназа).

Свойства ферментов. Существует две группы ферментов:

1. Однокомпонентные, состоящие только из белка

2. Двухкомпонентные, состоящие из белка и небелковой группы, которая называется простетической. В простетическую группу часто входят витамины.

Одним из свойств ферментов является специфичность действия. Это значит, что ферменты способны реагировать только с определенным химическим соединением или группой родственных соединений. Различают три вида специфичности:

1. Абсолютную

2. Относительную

3. Стереохимическую

Второе свойство – каталитическая активность. Проявляется в том, что малое количество фермента может переработать большое количество субстрата. Например, один грамм пепсина может гидролизовать 50кг свернувшегося яичного белка.

Третье свойство – ферменты термолабильны. Они легко инактивируются при нагревании. Оптимальная температура их действия – от 30 до 50°С, а для ферментов животного происхождения – от 37 до 40°С.

Четвертое свойство – ферменты действуют при определенном pH. Реакция среды, в которой ферменты проявляют свою активность разная. Так, например, пепсин действует в кислой среде при pH от 1,5 до 2,5, трепсин – в слабощелочной среде при pH 7,8-8,7; каталаза и уреаза – в нейтральной среде при pH 7.

Пятое свойство – ферменты не изменяются к концу реакции, не входят в состав конечных продуктов, они не токсичны.

Классификация ферментов. В настоящее время известно более 2 тысяч ферментов. По классификации, разработанной специальной комиссией международного биохимического союза, в 1961 году, все ферменты объединены в 6 классов:

1. Оксиды редуктазы (окислительно-восстановительные ферменты) Они ускоряют процессы окисления и восстановления различных веществ, играют важную роль в процессах дыхания микробов. К этому классу относится более 200 ферментов.

   1. Дегидрогеназы – это ферменты, отщепляющие водород от субстрата донора и переносящие его на кислород или другой акцептор. Различают анаэробные и аэробные дегидрогеназы.

      1. Анаэробные. Они отщепляют водород от окисляемого субстрата и передают его акцептору, но не кислороду воздуха.

      2. Аэробные. Они переносят водород, как непосредственно на молекулярный кислород, так и на другие системы.

   2. Оксидазы. Например, цитохромоксидаза – переносчик электронов, каталаза расщепляет перекись водорода с образованием воды и молекулярного кислорода, а пероксидаза активирует кислород перекиси и ускоряет окисление различных органических соединений

2. Трансферазы (ферменты переноса). Этот класс объединяет более 1000 ферментов. Они переносят отдельные группы, радикалы и атомы как между отдельными молекулами, так и внутри них. Так переносятся метильные группы, карбоксильные, а также группы, содержащие азот, фосфор, серу, а также альдегидные и кетонные остатки.

3. Гидролазы (ферменты, ускоряющие реакции гидролиза, то есть процесс расщепления сложных веществ на более простые с присоединением молекулы воды) Эти ферменты имеются у многих микроорганизмов и гидролазы объединяют более 200 ферментов. К ним относятся эстеразы (гидролизают сложноэфирную связь), фосфатазы (отщепляют фосфорные остатки), глюкозидазы (действуют на простые эфирные связи), пептидазы (действуют на пептидные связи).

4. Лиазы (ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путем ту или иную группу, например, связь между углеродом и кислордом, серой или коллоидом) В этот класс входит более 90 ферментов. Представители: карбоксидаза, альдолаза

5. Изомеразы (ферменты, ускоряющие перемещение внутри молекул атомов водорода, фосфора и двойных связей). Реакции этой группы важны в обмене веществ. Например: фосфогексоизомераза может переместить фосфорный остаток от первого углеродного атома глюкозы к шестому,

6. Лигазы или синтетазы (ферменты, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых за счет распада пирофосфорных связей АТФ). Лигазы играют важную роль в синтезе белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот и других соединений. В этот класс входит около 100 ферментов. Представители лигаз – аспорагинсинтетаза и глютоминсинтетаза, которые присоединяют аминную группу к аспорагиновой и глютоминовой аминокислоте с образованием аспорагина и глютомина.

Ферментативная активность бактерий и грибов широко используется в промышленности дл получения уксусной, молочной, щавелевой, лимонной кислот. При изготовлении молочных продуктов, таких как сыр, ацидофилин, кумыс, а также в виноделии, пивоварении и других отраслях народного хозяйства.

Рост и размножение микроорганизмов.

В результате поступления питательных веществ и синтеза из них сложных органических соединений, происходит рост, то есть увеличение массы микробной клетки.

Достигнув определенной стадии роста и зрелости, клетка начинает размножаться, то есть увеличивается количество особей. Большинство бактерий размножается путем простого бинарного деления клетки пополам (это вегетативное размножение), реже путем почкования. Грибы размножаются при помощи спор, половым путем и почкованием (дрожжи).

Скорость размножения микробных клеток зависит от вида микроба, возраста культуры, состава питательной среды, температуры, наличия или отсутствия кислорода воздуха и других факторов. Большинство клеток делятся через 20-30 минут.

Чем оптимальнее условия, тем быстрее происходит деление микробной клетки. Сначала появляется перетяжка, а затем происходит разъединение образовавшихся дочерних клеток. Споры грибов при попадании в благоприятную среду. Они дают начало вегетативной клетки.

Деление микробов может быть изоморфное, когда дочерние клетки имеют одинаковые размеры и гетероморфное, когда одна из дочерних клеток больше другой. Вместе с цитоплазмой в дочерние клетки переходит нуклеоид, в который заключена ДНК, имеющая двухспиральное строение. После разрыва водородных связей образуются две нити ДНК. Каждая из них включается в состав новой клетки, где происходит их репликация, то есть, удвоение. Вместе с нуклеиновой кислотой передаются и наследственные признаки.

Имеется много факторов, которые нарушают оптимальные условия роста и размножения. К ним относятся истощение среды, неблагоприятная температура, свет, продукты жизнедеятельности и другие.

Процессы размножения культуры микробов на несменяемой питательной среде протекает неравномерно. В нем определяют несколько стадий или фаз:

1. Начальная фаза (фаза покоя или лаг-фаза). В это время микробная культура приспосабливается к питательной среде, в микробной клетке увеличивается содержание РНК и с её помощью происходит синтез необходимых ферментов.

2. Логарифмическая фаза роста. Характеризуется максимальным увеличением количества клеток. В культуре оно идет в геометрической прогрессии (1, 2, 4, 16). В это время в среде большинство молодых и биологически активных клеток. В конце фазы, когда среда истощается, исчезают необходимые для данного микроба вещества, уменьшается количество кислорода, накапливаются продукты обмена, рост микробной культуры замедляется.

3. Стационарная фаза (период зрелости). Графически представляет линию, параллельную оси абсцисс. Наступает равновесие между числом вновь образованных и погибших клеток. Уменьшается количество среды, увеличивается плотность клеток в популяции, усиливается токсичное действие продуктов обмена. Все это обусловливает гибель клеток.

4. Фаза отмирания. В этой фазе наблюдается не только уменьшение, но и изменение самих клеток. Появляются деградированные формы, а также споры и через несколько недель или месяцев культура погибает. Так происходит потому что ядовитые продукты жизнедеятельности не только тормозят, но и убивают микробные клетки. Знание закономерностей развития имеет практическое значение при выращивании и сохранении культур на жидких и плотных питательных средах

Культивирование микроорганизмов.

Культивирование, то есть выращивание микробов проводят на питательных средах, которые могут быть естественными или искусственными. Естественные среды, такие как молоко, пивное сусло, сенной отвар, морковный сок и другие могут иметь разное соотношение входящих в их состав компонентов. Искусственные среды составляют по рецептам, где количество и соотношение веществ строго определенное.

Питательные среды должны содержать все необходимое для роста микробов, то есть азот, углерод, неорганические соединения в виде солей, витамины, микроэлементы и другие вещества. Среда считается оптимальной, если она имеет определенные показатели pH, окислительно-восстановительного потенциала, осмотического давления и другие

По консистенции различают плотные, полужидкие и жидкие питательные среды. Для получения плотных сред к жидким питательным средам добавляют 2-3% агар-агара или 10-15% желатина и другие вещества.

По составу питательные среды могут быть простыми и сложными. Простые: мясопептонный бульон (МПБ), мясопептонный агар (МПА) – имеют наибольшее распространение и используются для выращивания многих микробов и первичного выделения их из разных субстратов. В остав сложных сред входят дополнительные компоненты, такие как сыворотка крови, сахара и другие. Сложные среды используются для дифференциальной диагностики.

Для выращивания определенных видов микробов применяют элективные или избирательные среды, которые были введены в практику русским микробиологом Виноградским. Например, элективной средой для молочнокислых бактерий служит молоко.

Температура культивирования зависит от вида микроба. Оптимальная температура для плесневых грибов от 15 до 25°С. Для большинства сапрофитов температура культивирования от 25 до 30°С. А для патогенных микробов – 35-37°С.

В лабораториях необходимую температуру создают в термостатах. У большинства микроорганизмов рост наблюдается в течение суток (кишечная палочка, сенная палочка и другие). У некоторых грибов рост проявляется через 5-10 суток, а некоторые актиномицеты растут несколько месяцев.

Характер роста микроорганизмов.

На плотных питательных средах микробы растут в виде колонии. Колонии разных микробов отличаются по форме, размерам, консистенции, цвету и другим признакам.

На жидких питательных средах микробы образуют муть, осадок, пленку, пристеночное кольцо.

Образование микроорганизмами пигментов, токсинов, ароматических и других веществ

Пигментообразующие микробы. Свойства образовывать пигменты у микроорганизмов передается по наследству. Предполагают, что пигменты выполняют защитную функцию, предохраняют клетки от света и ультрафиолетового излучения. Окрашенные колонии в присутствии кислорода воздуха на свету сохраняются лучше, чем безпигментные.

Различают водо- и спирторастворимые пигменты, но имеются и такие, которые не растворяются ни в воде, ни в спирте. Это черные пигменты дрожжей и плесеней. У микробов цвета пигментов различны: желтый, розовый, красный, оранжевый, черный, коричневый, синий, фиолетовый и другие.

Одна из многочисленных и распространенных групп микробных пигментов – каратиноиды.

Светящиеся или фотобактерии. Они излучают фосфорический свет. Свечение бактерий связано с окислительными процессами в теле клеток и никогда не наблюдается в анаэробных условиях. Среди фотобактерий не обнаружено патогенных. Это в основном обитатели морей. У рыбаков существует примета: «Сельдь хороша, пока в ней есть фосфор и она светится». С прекращением свечения в рыбных и мясных продуктах развиваются гнилостные процессы.

Ароматические микробы. К ним относят дрожжи, молочнокислые бактерии, плесневые грибы, актиномицеты. Многие из них выделяют ароматические вещества (уксусно-этиловый эфир и другие), придающие приятный запах пищевым продуктам и напиткам. Специфический аромат вин обусловлен составом бактерий и грибов.

Токсинообразующие микробы. Они относятся к патогенным и вызывают отравление. Одни токсины выделяются микробом в окружающую среду при его жизни и называются экзотоксинами. Вторая группа – эндотоксины, выделяющиеся в окружающую среду только после гибели микробной клетки.

Возбудители ботулизма, столбняка, дифтерии выделяют экзотоксины. Возбудители туберкулеза, бруцеллеза, кишечные палочки и сальмонеллы содержат эндотоксины.

Природные экзотоксины имеют белковую природу и представляют собой высокоактивные антигены, на которые организм вырабатывает антитела. Антитоксическая сыворотка действует против токсина, но не против микробной клетки.

Генетика микроорганизмов.

Формы изменчивости микроорганизмов (фенотипические и генотипические).

Генетика – наука о наследственности и изменчивости микроорганизмов.

Вопросами изменчивости микроорганизмов ученые занимались еще во второй половине 19 века. Основоположники русской микробиологической науки (Мечников, Виноградский и другие) подходили к изучению изменчивости с дарвиновских позиций. Полиморфисты (Негели , Бюхнер) отстаивали возможность резких постоянных морфологических, культуральных и других изменений у микроорганизмов. Негели отрицал постоянство форм у микробов, признавал их широкую изменчивость и даже переход одного вида в другой. Другая группа ученых, мономорфисты (Кох, Кон), утверждали постоянство микробных видов. Они отрицали их изменчивость под влиянием условий внешней среды.

Дальнейшие исследования показали, что под влиянием условий среды у организмов часто появляются новые признаки, которые могут быть временными или же постоянными, передающимися по наследству. Микробы при этом способны терять вирулентность, приобретать лекарственную устойчивость, увеличивать количество продуктов жизнедеятельности, а также изменять морфологические, культуральные и другие свойства.

Морфологические изменения.

Температура, химические вещества, фаги, антибиотики и другие факторы среды могут вызыва ть изменения формы микробов. Палочки при этом принимают округлую форму, становятся более длинными и толстыми, образуют вздутия.

Морфологические изменения чаще наблюдаются у старых микробных культур, когда в больших количествах накапливаются продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Гомолея назвал такое явление гетероморфизмом.

Культуральные изменения.

Одни и те же микробы в одинаковых условиях могут иметь разные культуральные признаки. Так на плотной питательной среде, так называемые, S-формы образуют гладкие прозрачные колонии с ровными краями, а R-формы – шероховатые непрозрачные со складчатой поверхностью. Такие культуры различаются не только по форме, но и по другим признакам. Так, например, S-форма, если это патогенный микроб более болезнетворная; R-форма не имеет таких признаков и почти не переходит в S-форму.

Такие изменения, при которых происходит разъединение, расщепление признаков у микробов называют диссоциацией. Предполагают, что в её основе лежат мутации и биологические изменения.

Давно было замечено, что введение в организм человека или животных микроорганизмов, подвергнутых воздействию внешних факторов среды (например температуры), создают у животных невосприимчивость к повторным заражениям. В последние годы замечена повышенная устойчивость микробов к лекарственным веществам и ранее активные антибиотики становятся малоэффективными

Формы изменчивости микроорганизмов.

Изменения могут быть разными и зависят от многих причин. Фенотипические изменения связаны с условиями среды и не наследуются, хотя могут сохраняться длительное время. Генотипические изменение наоборот наследуются.

Фенотипические изменения.

К ним относят адаптацию и модификацию.

Адаптация – это приспособление микроорганизмов к условиям среды. В настоящее время это явление объясняется не изменением в микробной клетке, а развитием ранее измененных особей и гибелью неприспособленных. Приспособленные клетки размножаются, а остальные погибают, то есть происходит естественный отбор.

Модификация – это изменение микроорганизмов под влиянием условий среды, при чем изменяются только фенотипические, то есть внешние признаки клетки (форма, размеры). Например, при добавлении в среду CaCl клетки кишечной палочки сильно укорачиваются. При длительных и сильных воздействиях на микробную клетку могут быть и более глубокие изменения, например, палочки принимают округлую форму и значительно уменьшаются.

Генотипические изменения.

Ген – это единица наследственности, которая представляет собой участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты. Геномная нуклеиновая кислота содержит полный набор генов и способна не только хранить, но и передавать генетическую информацию.

ДНК находится главным образов в нуклеоиде или ядре микробной клетки и состоит из двойной спирали, каждая из которых построена из нуклеотидов. Эти нуклеотиды чередуются в определенном порядке и несут генетическую или наследственную информацию. Единицей информации является кодон, состоящий из трех нуклеотидов. Этот кодон или триплет кодирует одну аминокислоту.

В состав ДНК входит 4 азотистых основания. Из них два пуриновых (аденин, гуанин) и два пиримидиновых (тимин и цитозин), а также сахар дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

ДНК была открыта 1868 году Мишером. А в 1953 году американскими учеными Уотсоном и Кригом была построена её модель. Согласно этой модели, две цепи нуклеотидов молекулы ДНК уложены в виде спирали и упакованы вокруг воображаемой оси, но в противоположных направлениях. Полинуклеотидные цепи соединены водородными связями, расположенными внутри спирали.

Передача генетической информации от ДНК на рибосомы, где происходит синтез белка осуществляется информационной или матричной РНК. Она является зеркальным отображением соответствующего участка ДНК, в котором тимин заменен урацилом. Перенос активированных аминокислот к рибосомам осуществляется транспортной низкомолекулярной РНК. А соединение аминокислот друг с другом происходит с помощью специальных ферментов. Для каждой аминокислоты существует своя особая транспортная РНК (т-РНК) и соответствующий ей фермент.

В белках синтезированных живыми организмами содержится 22 аминокислоты. В рибосомах находится рибосомальная РНК (р-РНК), на которой из аминокислот синтезируется белок.

Таким путем осуществляется связь между ДНК нуклеоида и рибосомами цитоплазмы. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц – большой и малой. Процесс биосинтеза белка проходит в два этапа:

1. Транскрипция, то есть переписывание информации от ДНК на матричную РНК. ДНК → матричная РНК.

2. Трансляция или перевод. Матричная РНК → белок.

Установлено, что передача генетической информации может совершаться и в другом направлении, т.е. с молекулы РНК на ДНК. При этом РНК становится матрицей для синтеза ДНК.

Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо. Кольцевые молекулы ДНК характерны для плазмид и некоторых ДНК-содержащих вирусов. Обычно молекулы ДНК двуспиральные и реже односпиральные. Молекулы ДНК имеют большую молекулярную массу. В ДНК содержится генетическая информация, которая при размножении передается потомству.

Молекулы РНК чаще односпиральные и реже двуспиральные. Они, как и ДНК, состоят из нуклеотидов. Размеры РНК разные: более крупные геномные и очень мелкие транспортные. У РНК вместо тимина содержится урацил, а дезоксирибоза заменена рибозой.