Химический состав. Фаги состоят из двух основных химических компонентов – нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белка..

Резистентность. Фаги более устойчивы к действию химических и физических факторов, чем бактерии. Высокочувствительны фаги к формалину и кислотам. Инактивация большинства фагов наступает при температуре 65-70ºС. Длительное время они сохраняются при высушивании в запаянных ампулах, замораживании при температуре -185ºС в глицерине.

Взаимодействие фага с бактериальной клеткой. По механизму взаимодействия различают вирулентные и умеренные фаги. Вирулентные фаги, проникнув в бактериальную клетку, автономно репродуцируются в ней и вызывают лизис бактерий. После биосинтеза фаговых компонентов и их самосборки в бактериальной клетке накапливается до 200 новых фаговых частиц. Под действием фагового лизоцима и внутриклеточного осмотического давления происходит разрушение клеточной стенки, выход фагового потомства в окружающую среду и лизис бактерии. Один литический цикл (от момента адсорбции фагов До их выхода из клетки) продолжается 30-40 мин.

Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой характеризуется определенной степенью специфичности.

Умеренные фаги лизируют не все клетки в популяции, с частью из них они вступают в симбиоз, в результате чего ДНК фага встраивается в хромосому бактерии. В таком случае геномом фага называют профаг. Профаг, ставший частью хромосомы клетки, при ее размножении реплицируется синхронно с геном бактерии, не вызывая ее лизиса, и передается по наследству от клетки к клетке неограниченному числу потомков. Биологическое явление симбиоза микробной клетки с умеренным фагом (профагом) называется лизогенией, а культура бактерий, содержащая профаг, получила название лизогенной. Это название (от греч. lysis – разложение, genea – происхождение) отражает способность профага самопроизвольно или под действием ряда физических и химических факторов исключаться из хромосомы клетки и переходить в цитоплазму, т. е. вести себя как вирулентный фаг, лизирующий бактерии. Умеренные фаги могут нанести вред микробиологическому производству. Так, если микроорганизмы, используемые в качестве продуцентов вакцин, антибиотиков и других биологических веществ, оказываются лизогенными, существует опасность перехода умеренного фага в вирулентную форму, что неминуемо приведет к лизису производственного штамма.

Практическое использование фагов. Применение фагов основано на их строгой специфичности действия. Фаги используют в диагностике инфекционных болезней: с помощью известных (диагностических) фагов проводят идентификацию выделенных культур микроорганизмов. Фаготипирование имеет большое эпидемиологическое значение, так как позволяет установить источник и пути распространения инфекции.

Фаги применяют для лечения и профилактики инфекционных болезней. Производят брюшнотифозный, дизентерийный, синегной-ный, стафилококковый фаги и комбинированные препараты. Способы введения в организм: местно, энтерально или парентерально. Умеренные фаги используют в генетической инженерии и биотехнологии в качестве векторов для получения рекомбинан-тных ДНК.

Student TJ

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ:

1.Понятие о пище и типах питания.

2.Механизмы питания (простая и облегченная диффузия, активный транспорт).

3.Способы питания (по усвоению углерода, азота, энергии).

4.Метаболизм бактерии (анаболизм, катаболизм).

5.Ферменты (энзимы) бактерий.

6.Рост и размножение бактерий. Факторы роста.

7.Питательные среды. Классификация (по происхождению, по консистенции, по назначению).

8.Основные требования, предъявляемые к питательным средам.

9.Культуральные свойства бактерий (размер, форма, консистенция, структура, прозрачность, цветность колоний).

Физиология бактерий

Физиология бактерий – это раздел микробиологии, изучающий химический состав, питание, дыхание, рост и размножение бактерий.

Химический состав бактерий. Микроорганизмы имеют сложное химическое строение. 70% от общей массы бактериальной клетки составляет вода. Часть воды находится в свободном состоянии, а часть - в связанном. В состав бактериальных клеток входят макроэлементы (азот, углерод, кисло род и водород), микроэлементы (калий, кальций, магний, натрий, сера, фосфор, хлор) иультрамикроэлементы (бор, ванадий, железо, кобальт, медь, цинк).

Азотсодержащие вещества представлены белками. Белки составляют 50-80% сухого вещества бактериальных клеток. Функции белков разнообразны: структурная, каталитиче ская, двигательная, транспортная, защитная.

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолеку лярные биологические полимеры, построенные из мононуклеотидов. Содержание нуклеиновых кислот в бактериальной клетке может быть от 10 до 30% сухого вещества. Нуклеиновые кислоты бактерий представлены РНК (рибону клеиновая кислота) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кисло та). РНК в основном содержится в рибосомах, ДНК - в нуклеоиде. ДНК является носителем наследственной информации бактерий.

Липиды - истинные жиры, липоиды - жироподобные вещества. Риккетсии, дрожжи, микобактерии и грибы содержат до 40% липидов. У других групп бактерий содержание липидов составляет 3- 7%. С липидами связа на кислотоустойчивость некоторых бактерий, в частности, микобактерий.

Содержание углеводов составляет 12-18% сухого ве щества. Углеводы представлены многоатомными спиртами (сорбит, маннит, дульцит), полисахаридами (гликоген, декстрин, целлюлоза), моносахари дами (глюкоза, глюкуроновая кислота и др.). Углеводы выпол няют энергетическую роль в бактериальной клетке.

Питание бактерий

1. Углеродное питание. По источнику получения углерода микроорганизмы подразделяются на две группы:

-автотрофы (аутотрофы) - микроорганизмы, способные усваивать углерод из неорганических соединений - углекислоты воздуха или карбонатов. Автотрофы из простых соединений синтезируют белки, полисахариды, нукле иновые кислоты, витамины и другие структурные и функциональные молекулы.

-гетеротрофы - микроорганизмы, использующие углерод только из готовых органических соединений - вызывают процессы брожения, гниения, а также заболевания человека и животных. Гетеротрофы подразделяются на две подгруппы: сапрофиты (получают углерод из останков организмов или продуктов) и паразиты (живут на поверхности или внутри организма хозяина и питаются за его счет).

2. Азотное питание микроорганизмов. По способу усвоения азота бактерии подразделяются на 4 группы:

1. Протеолитические - способные расщеплять белки и пептиды; 2.Дезаминирующие - способные отщеплять аминогруппы только у свободных аминокислот;

3.Нитритно-нитратные - усваивающие окисленные формы азота;

4.Азотфиксирующие - обладающие свойством усваивать атмосферный азот.

3.Потребность в минеральных веществах. Серу бактерии получают из сульфатов или из некоторых аминокислот (цистин, цистеин). Фосфор входит в состав фосфорнокислых солей. Калий, магний и железо микроорганизмы также получают из различных солей. В бактериальной клетке сера входит в состав аминокислот (цистеин, метионин), вита минов и кофакторов (биотин, липоевая кислота и др.), а фосфор - необходимый компонент нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов.

4.Прототрофы и ауксотрофы. Гетеротрофные бактерии, способные расти на питательных средах, в состав которых входит одно органическое вещество в качестве источника углерода, а остальные химические элементы содержатся в составе неорганических соединений, называются

прототрофами.

Бактерии, для роста и размножения которых требуются дополнительные органические вещества (факторы роста), называются ауксотрофами. К факторам роста относятся аминокислоты, витамины, пурины, пиримидины, пентозы, гексозы, липиды. Универсальным источником факторов роста является сыворотка крови животных, которую добавляют в питательные среды для культивирования ауксотрофов.

Транспорт питательных веществ в бактериальную клетку.

1. Пассивная диффузия (осмос) - поступление питательных веществ из окружающей среды через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану в результате разницы концентраций питательных веществ внутри бактериальной клетки и в питательной среде. Процесс осуществляется по направлению градиента концентрации вещества без затрат энергии АТФ. Посредством пассивной диффузии в клетку поступает вода и некоторые ионы.

2.Облегченная диффузия. Осуществляется по направлению градиента концентрации с участием специальных белков-переносчиков, которые называются пермеазами.Пермеаза на внешней стороне цито плазматической мембраны специфически связывается с молекулой субстрата. На внутренней поверхности мембраны происходит диссоциация комплекса пермеаза - субстрат. При этом транспортируемое вещество высвобождается в цитоплазму, а пермеаза вновь принимает первоначальное положение. Облегченная диффузия осуществляется без затрат энергии АТФ.

3. Активный транспорт. Осуществляется против градиента концентрации с помощью пермеаз и с затратой энергии АТФ. По этому механизму в бактериальные клетки поступает основное количество питательных веществ.

4.Перенос групп. Сущность этого механизма состоит в переносе питательного вещества внутрь клетки против градиента концентрации с помощью пермеаз в химически измененной форме с затратой энергии АТФ. По этому механизму внутрь клетки поступают крупные молекулы питательных веществ.

Питательные среды, их классификация

Микроорганизмы культивируют на питательных средах. Питательные среды подразделяются на группы в зависимости от свойств.

По физическому состоянию питательные среды подразделяются на:

-жидкие среды;

-полужидкие среды;

-твердые (плотные) среды;

Жидкие среды представляют собой настои, отвары, бульоны, приготовленные на основе мяса, рыбы, овощей (естественные среды), а также композиции определенных концентраций химических соединений (искусственные среды). Полужидкие среды получают путем добавления к жидким средам 0,5-0,9% агарагара (желеобразующее вещество, получаемое из морских водорослей). К плотным питательным средам относят среды, содержащие 2-3% агара.

По сложности питательные среды подразделяются на:

-простые, или обычные среды (пептонная вода, мясо-пептонный бульон, мясопептонныйагар);

-сложные, или специальные среды (кровяной агар, асцитический агар и бульон, мясо-пептонный сахарный бульон, сывороточный агар и бульон, свернутая сыворотка, кровяной бульон).

По происхождению питательные среды подразделяются на:

-естественные среды;

-полусинтетические среды;

-синтетические среды.

Естественные питательные среды - это природные органические среды непостоянного состава, которые включают продукты животного или растительного происхождения. К ним относятся пептоны, кровь, отвары и экстракты, полученные из природных субстратов (мясо, рыба, крупы).

Полусинтетические среды кроме органических и неорганических веществ известного состава содержат продукты природного происхождения (картофельная среда с глюкозой, дрожжевая среда).

Синтетические питательные среды состоят из определенных количеств органических и неорганических химических соединений известного состава.

По набору питательных веществ выделяют:

-минимальные среды, которые содержат лишь источники питания, достаточные для роста;

-богатые среды, в состав которых входят многие дополнительные вещества.

В зависимости от назначения питательных сред различают:

-основные среды;

-элективные (селективные) среды;- дифференциально-диагностические среды;

-накопительные среды (среды обогащения).

К основным средам относятся мясо-пептонныйагар и мясо-пептонный бульон. На этих средах растет большинство бактерий.

Дифференциально-диагностические среды - это сложные среды, позволяющие изучать биохимические свойства бактерий. Эти среды используются для определения вида бактерий.

Элективные (селективные) питательные среды содержат вещества, подавляющие рост одних бактерий, и не влияющие на рост других бактерий. Эти среды служат для выделения определенного вида бактерий из смешанных популяций.

Накопительные питательные среды (среды обогащения) - это среды, на которых определенные виды культур растут быстрее и интенсивнее сопутствующих.

Ферменты бактерий

Все биохимические процессы в клетке микроорганизмов, связанные с метаболизмом, ростом и размножением, совершаются при участии ферментов (энзимов). Ферменты синтезируются самой микробной клеткой, и имеют сложное строение. Они представляют собой либо только белок с высокой молекулярной массой (трипсин, пепсин и др.), либо состоят из белка (апофермента), связанного с кофактором (коферментом). Кофермент может быть низкомолекулярным неорганическим (металл) или органическим ве ществом.

Классификация ферментов основана на типах реакций, которые они катализируют. Все ферменты делятся на шесть классов:

1). Оксидоредуктазы - ферменты переноса электронов. Эти ферменты катализируют окис лительно-восстановительные реакции. К ним отно сятся дегидрогеназы (НАД, НАДФ, ФАД), каталаза, цитохромы.

2). Трансферазы - ферменты переноса групп между молекулами от одних соединений к другим. К ним относятся ацетилтрансфераза, фосфотрансфераза, аминотрансфераза.

3). Гидролазы - ферменты переноса функциональных групп с участием воды. К этому классу ферментов относятся пептидгидролазы, глюкозидаза, амилазы, эстеразы, липаза, фосфатаза. 4). Лиазы - ферменты, отщепляющие или присоединяющие без участия воды различные соединения с двойной связью. К этим ферментам относятся пируватдекарбоксилаза, альдолаза. 5). Изомеразы - ферменты, переносящие группы внутри молекул с образованием изомерных форм. К этим ферментам относятся триизофосфатизомераза, глюкозофосфатизомераза.

6). Лигазы (синтетазы) - ферменты, объединяющие две молекулы с одновременным разрывом фосфатных связей с использованием энергии АТФ. К лигазам относятся ферменты, катализирующие синтез сложны хорганических веществ из простых соединений (аспарагинсинтетаза, кокарбоксилазы).

Активность ферментов измеряют в международных еди ницах (ME). 1 ME соответствует количеству ферментов, пре вращающему один микромоль субстрата в 1 минуту в стандарт ных условиях.

У бактерий различают эндоферменты и экзоферменты. Эндоферменты находятся внутри бактериальной клетки, катализиру ют внутриклеточные процессы обмена веществ. Экзоферменты выделяются во вне шнюю среду и выполняют функцию расщепления сложных питательных веществ.

Ферменты агрессии. У патогенных бактерий имеется особая группа экзоферментов, которые называются ферментами агрессии. Они выполняют функции облегчения проникновения и распространения бактерий в тканях организма хозяина и ослабления его защитных свойств. К ферментам агрессии относятся: гиалуронидаза, нейраминидаза, коллагеназа, протеазы, фибринолизин, гемолизин, лейкоцидин.

Конститутивные и индуцибельные ферменты. Ферменты, которые синтезируются клеткой с постоянной скоростью, независимо от наличия субстрата в среде называются конститутивными. Индуцибельные (адаптивные) ферменты образуются только в присутствии соответствующего субстрата в сре де. Например, фермент бета-галактозидазаначинает синтезироваться только при добавлении в питательную среду углевода лактозы, которую этот фермент расщепляет с образованием глюкозы и галактозы.

Методы определения ферментативной активности микробов

Обязательным условием идентификации выделенной чистой культуры бактерий является определение ферментативной активности в отношении углеводов и белков (биохимический «паспорт» вида).

Для выявленияферментов, расщепляющих углеводы (сахаролитические ферменты)

используют дифференциально-диагностические среды Гисса. В состав сред Гисса входит пептонная вода, индикатор рН, поплавок для улавливания газа и один из углеводов (глюкоза, лактоза, мальтоза, маннит, сахароза, крахмал и т.д.). Если бактерии расщепляют углевод, то образуется кислота и при этом меняется цвет среды за счет находящегося в ней индикатора рН. Большинство патогенных бактерий расщепляют углеводы с образованием только кислоты;

некоторые виды ферментируют углеводы с образование кислоты и газа (СО2). При этом меняется цвет среды и в поплавке появляется пузырек газа.

Протеолитическая активность бактерий. Показателями глубокого расщепления белка является образование индола, аммиака, сероводорода. Для выявления этих газообразных веществ делают посевы чистой культуры бактерий на мясопептонный бульон или пептонную воду в пробирки со специальными бумажными индикаторами. При наличии продуктов расщепления меняется цвет соответствующего индикатора.

Протеолитическую активность бактерий определяют также путем посева чистой культуры уколом в столбик желатина по наличию и характеру разжижения среды, например, в виде перевернутой елочки, гвоздя, воронки и т.д.

Энергетический метаболизм

Это совокупность биохимических реакций, результатом которых является образование (накопление энергии) и расщепление (расход энергии) макроэргических связей в молекулах АТФ. У бактерий АТФ может синтезироваться в результате процессов брожения и дыхания.

Брожение. Более древний, низкоэффективный способ получения энергии, при котором в результате расщепления молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Конечными продуктами брожения являются СО2, вода, спирты и органические кислоты. Процесс происходит без участия кислорода.

Дыханием называют процесс окислительного фосфорилирования углеводов с образованием молекул АТФ, СО2 и воды. При распаде одной молекулы глюкозы высвобождаются 12 электронов, которые проходят через цепь дыхательных ферментов, отдавая энергию для синтеза 36 молекул АТФ. Освобождение дыхательной цепи от электронов осуществляют вещества, называемые акцепторами электронов. К таким веществам относится кислород, сульфаты, нитраты, карбонаты. Если конечным акцептором электронов служит мо лекулярный кислород, дыхание называют аэробным. В случае конечной акцепции электронов другими соединениями дыхание называют анаэробным.

По типу дыхания бактерии классифицируют на че тыре основные группы:

1.Облигатные (строгие) аэробы растут при свободном доступе кислорода (возбудитель ту беркулеза).

2.Микроаэрофилы растут при низкой (до 1%) концентрации кислорода и повышенной концентрации углекислого газа (гемофильная палочка).

3.Факультативные анаэробы могут расти как в присутствии кислорода, так и в анаэробных условиях (кишечная палочка).

4.Облигатные (строгие) анаэробы могут расти только при пол ном отсутствии кислорода в окружающей среде (возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены).

Характер роста микробов на питательных средах Рост микробов на плотной питательной среде. Для изучения свойств коло ний микробы

культивируют на плотных питательных средах в чашках Петри. При этом посев материала проводят таким образом, чтобы получить изолированные колонии. Для характеристики колоний используют следующие признаки:

1.Размер колонии. Колонии обычно измеряют в миллиметрах или пользуют ся для этого описательными терминами, такими, например, как точечные (диаметр менее 1 мм), мелкие (диаметр 1-2 мм), средние (диаметр 2-4 мм) и крупные (диаметр 4-6 мм и более).

2.Форма колонии. Бывает правильной (круглая), неправильной (амебовидная),

ризоидной (корневидная, напоминающая переплетающиеся корни деревьев).

3.Контуры края. Определяют при рассмотрении колонии под лупой или микроскопом с малым увеличением. Различают ровные края в виде четко выра женной линии и неровные края (фестончатый, волнистый, эрозированный или зазубренный, бахромчатый).

4.Рельеф колонии характеризуется приподнятостью ее над поверхностью пи тательной среды и формой на вертикальном разрезе. Определяется рельеф колонии невооруженным глазом или при помощи лупы при рассматривании сверху и сбоку. Различают каплеобразные и куполообразные колонии правильной круглой формы, плоско-выпуклые колонии, конусообразные колонии, колонии с приподнятой серединой, колонии с вдавленным центром, плоские колонии.

5.Поверхность колонии. Изучают при помощи лупы или под микроскопом при малом увеличении. Поверхность колонии бывает матовая или блестя щая с глянцем, сухая или влажная, гладкая или шероховатая. Гладкие ко лонии обозначают буквой S (smooth - гладкий), шероховатые - буквой R (rough шероховатый).

6.Цвет колонии. Определяется пигментом, который продуцирует культура микробов. Преобладающее большинство патогенных бактерий пигмента не образует, вследствие чего колонии их бесцветны или молочно-мутного цвета. Пигментообразующие виды микробов дают колонии различных цветов: кремовые, желтые, золотисто-оранжевые, си ние, красные, сиреневые, черные и др.

7.Структура колоний. Определяется в проходящем свете при слабом увеличе нии микроскопа, суженной диафрагме или при несколько опущенном кон денсоре. По структуре различают гиалиновые колонии, зернистые колонии, нитевидные или волокнистые колонии.

8.Консистенция колоний. Исследуют посредством прикосновения или взятия из нее части материала бактериоло гической петлей. По характеру консистенции колонии бывают пастообразные, вязкие или слизистые, волокнистые или кожистые, хрупкие сухие.

Особенности микробного роста на жидких питательных средах.

1.Рост бактерий с равномерным помутнением среды.

2.Придонный рост бактерий, характеризующийся образованием осадка на дне пробирки с жидкой питательной средой.

3.Пристеночный рост бактерий, выражающийся в образовании рыхлых хлопьев, прикрепленных к внутренней поверхности стенок сосу да.

4.Поверхностный рост бактерий, характеризующийся появлением на поверх ности жидкой питательной среды пленки.

Рост на полужидкой питательной среде характеризуется по мутнением всей толщи среды или образованием сосульки цилиндрической или конической формы.

Бактериологический метод исследования Целью бактериологического исследования является выделение чистой культуры возбудителя,

его идентификация и определение чувствительности к антибактериальным препаратам. Бактериологический метод исследования включает 4 этапа:

-посев исследуемого материала на питательные среды;

-выделение чистой культуры возбудителя;

-идентификация возбудителя (определение вида бактерий) и определениечувствительности к антибактериальным препаратам;

-учет результатов и выдача заключения.

Первый этап. Техника посева материала на питательные среды Материалом для бактериологического исследования служат: кровь, моча, отделяемое раны,

мокрота, фекалии, рвотные массы, смывы с кожи и слизистых оболочек и др. Поступивший в лабораторию материал подвергают бактериологическому исследованию в тот же день.