28. Действие физических факторов на микроорганизмы.

Среди физических факторов, влияющих на рост и размножение микроорганизмов, наибольшее значение имеет температура. По отношению к существованию в различных температурных режимах микроорганизмы делят на мезофильные формы, оптимальная температура для которых составляет 25-40 ° С. К мезофилам относится подавляющее большинство как сапрофитных, так и патогенных бактерий.

Среди бактерий - обитателей глубин океанов, тундровых почв встречаются сапрофитные бактерии – психрофилы , которые размножаются при температуре ниже 20 ° С. Термофильные микроорганизмы, заселяющие, например, воды горячих источников, способны размножаться при температуре выше 70 ° С.

Бактерии-мезофилы в вегетативном состоянии чувствительны к повышению температуры до 50-55 ° С. При этом происходит денатурация ферментных белков бактериальной клетки, что ведет к гибели организма.

Спорообразующие бактерии - бациллы - более устойчивы к повышению температуры, многие из них способны выдерживать в течение нескольких часов нагревание до 100-110 ° . Однако , чувствительность к повышенной температуре колеблется у бактерий в зависимости от условий культивирования, состава питательной среды, длительности экспозиции температурного влияния и других факторов.

При температуре ниже оптимальной на 5-10°С бактерии не погибают, однако, их размножение задерживается в связи с торможением обмена веществ. Для сохранения вегетативных форм бактерий при пониженной температуре применяют вещества с высокой вязкостью, которые предохраняют цитоплазму бактериальной клетки от разрушения кристаллами льда. Такие вещества называют криопротекторами . К ним относятся желатина, раствор альбумина, глицерин, 40% раствор сахарозы. Криопротекторы используют для длительного хранения культур бактерий при минусовых температурах, а также при лиофильном высушивании микроорганизмов. Лиофильное высушивание предусматривает переход вещества из замороженного состояния в сухое, минуя жидкую фазу. Это достигается при нагревании замороженных культур бактерий в условиях вакуума и используется при приготовлении иммунобиологических препаратов.

Кроме температурного фактора на бактерии влияют и факторы осмотического и гидростатического давления . Бактерии, дрожжи и плесневые грибы устойчивы к гидростатическому давлению. Они переносят давление 1000-3000 атм , а спороносные бактерии - до 20 000 атм. При таком высоком давлении снижается активность бактериальных ферментов и токсинов. Осмотическое давление отрицательно влияет на биохимическую активность микроорганизмов. Повышение концентрации солей задерживает развитие многих бактерий, однако, есть виды способные развиваться в присутствии концентрированных растворов солей, такие бактерии называют осмофильными (галофильными). Осмотическое давление в клетке регулирует цитоплазматическая мембрана. При высоком осмотическом давлении окружающей среды происходит плазмолиз. Плазмолиз явление обратимое, и если понизить осмотическое давление окружающего микроорганизмы раствора, вода поступает внутрь клетки и возникает явление противоположное плазмолизу - плазмоптиз.

К физическим факторам, влияющим на микроорганизмы, относят также и влияние лучистой энергии. Большинство патогенных бактерий плохо переносят прямой солнечный свет. На этом основано использование ультрафиолетового света с целью обеззараживания (стерилизации) воздуха в помещениях медицинских учреждений. Как УФ-свет , так и рентгеновские лучи, и другие виды ионизирующего излучения оказывают на микроорганизмы летальное или мутагенное действие. Наиболее эффективны короткие лучи ультрафиолетового спектра с длиной волны около 280 нм. Такие лучи поглощаются нуклеиновыми кислотами клетки, при этом поражаются пиримидиновые основания и клетки погибают в результате возникновения летальных мутаций. Часть облученных клеток популяции способна к восстановлению, репарации ДНК. Репарация облученных молекул ДНК происходит при фотореактивации клеток, для этого необходимо воздействовать на клетки повторно лучами более длинноволновой области (520-550 нм) или провести «темновую реактивацию».

Радиоактивное излучение также губительным образом действует на микроорганизмы. При этом значение имеют морфологическое и физиологическое состояние микроорганизма, экспозиция, доза облучения. Бактерии более чувствительны к ионизирующему облучению, чем вирусы. Механизм действия ионизирующей радиации так же связан с изменением нуклеиновых кислот клетки. Ионизирующая радиация в отдельных случаях используется в практике здравоохранения для стерилизации лекарственных веществ, хирургических материалов.

Ультразвуковые волны при частоте колебания 1-1,3 мГц в течение 10 мин оказывает бактерицидный эффект на клетки микроорганизмов. Ультразвук способствует разрыву клеточных стенок и мембран, повреждению флагеллина у подвижных форм микроорганизмов. Влияние ультразвука основано на механическом разрушении микроорганизмов в результате возникновения высокого давления внутри клетки или на появлении гидроксильных радикалов и атомарного кислорода в водной среде цитоплазмы. Это позволяет использовать его в качестве стерилизующего агента, а также применять для инактивации и дезинтеграции вирусов с целью получения антигенов и вирусных вакцин.

29. Типы питания микроорганизмов. Деление микроорганизмов по способу питания. Механизмы проникновения питательных веществ через оболочку бактерий.

Источник энергии	Донор электронов	Источник углерода
		Органические вещества	CO2
Свет	Органические вещества	Фотоорганогетеротрофы (пурпурные несерные бактерии)	Фотоорганоавтотрофы (окисление неусваиваемых веществ, некоторые зелёные серные бактерии)
	Неорганические вещества	Фотолитогетеротрофы (некоторые зелёные бактерии, гелиобактерии)	Фотолитоавтотрофы (водоросли, цианобактерии)
Энергия химических связей	Органические вещества	Хемоорганогетеротрофы (микроорганизмы-деструкторы)	Хемоорганооавтотрофы (трудноусваиваемые вещества)
	Неорганические вещества	Хемолитогетеротрофы (некоторые сульфатредукторы)	Хемолитоавтотрофы (серуокисляющие, водородные, нитрифицирующие, железобактерии)

По типам питания (трофии) все живые существа делятся на несколько групп в зависимости от природы источников углерода и энергии, а также донора электронов. Организмы, использующие в качестве источника углерода в конструктивном метаболизме углекислоту, носят название автотрофов, а использующие готовые органические вещества - гетеротрофов. Если для энергетического метаболизма источником служит свет, то организм называют фототрофом. Хемотрофия характеризуется использованием энергии химических реакций. При этом органотрофы в качестве донора электронов применяют органическое вещество, а литотрофы – неорганическое.

Высшие животные и растения способны только к хемоорганогетеротрофии и фотолитоавтотрофии соответственно, тогда как у микроорганизмов представлены все типы метаболизма, к тому же они могут переключаться на другой тип питания в зависимости от условий. Типы питания можно считать «пробами» эволюции.

Проникновение веществ в клетку

Метаболизм того или иного вещества начинается с его проникновения в клетку. У большинства микроорганизмов клетка поглощает вещества, растворённые в воде.

У прокариот клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана служат существенным препятствием для высокомолекулярных веществ. Поэтому такие соединения сначала расщепляются вне клетки на олиго- и мономеры соответствующими гидролазами. У грамотрицательных бактерий эти ферменты расположены на наружной стороне цитоплазматической мембраны. Либо локализованы в периплазматическом пространстве. Высокомолекулярные вещества приникают в их периплазму с помощью белков-поринов, находящихся в наружной мембране.

У микроорганизмов, которые часто живут в бедных средах (разбавленных растворах), существует несколько принципиально различных способов поступления веществ в клетку.

Диффузия. Все незаряженные молекулы (вода, газы) могут поступать в клетку путём обычной пассивной диффузии. Это проникновение веществ в клетку по градиенту концентрации не требует затрат энергии и происходит до тех пор, пока не наступит равновесие между содержанием этого вещества вне клетки и внутри клетки. Процесс идёт с невысокой скоростью. Скорость значительно увеличивается при участии специфических, часто индуцибельных белков-переносчиков (пермеаз), и тогда процесс носит название облегчённой диффузии. В этом случае также процесс продолжается, пока есть градиент концентрации, и метаболическая энергия не затрачивается. Механизм действия пермеаз пока неясен. Это белки, расположенные либо поперёк мембраны, либо способные передвигаться через мембрану как в свободном, так и в связанном субстратном состоянии. Не ясно, что в этом случае заставляет пермеазу освобождать субстрат на внутренней стороне мембраны. Существуют неспецифические пермеазы для всех катионов. Особый случай - перенос катионов желаза. В аэробных водных растворах Fe²⁺ неустойчив и быстро окисляется до Fe³⁺. Поэтому для снабжения двухвалентным железом аэробные микроорганизмы имеют особые переносчики – сидерофоры, которые вне клетки ковалентно связывают Fe³⁺+ и диффундируют через мембрану, восстанавливая его, где освобождают Fe²⁺ внутри клетки. Сидерофоры обнаружены и у высших организмов в слюне, крови и слёзной жидкости. Таким образом эти жидкости предохранены от заражения.

Экскреция продуктов метаболизма у микроорганизмов, как правило, происходит путём облегчённой диффузии.

Активный транспорт. Механизмы активного транспорта позволяют веществам поступать в клетку против градиента концентрации. Такие механизмы сопряжены с затратой метаболической энергии. Первичный транспорт – выброс протонов из клетки с образованием протонного градиента через цитоплазматическую мембрану. За счёт этого трансмембранного градиента протонов и работают все виды вторичного транспорта. Протонный градиент в клетке всегда поддерживается на определённом уровне за счёт дыхания, фотосинтеза и брожения.

Транслокация групп как вид вторичного транспорта отличается от предыдущих тем, что вещество приникает внутрь клетки в модифицированном виде. Так транспортируются сахара, пурины и пиримидины у про- и эукариот. Перенос фосфатной группы на сахара осуществляется от фосфоенолпирувата (ФЕП), а на пурины и пиримидины – от фосфорибозилпирофосфата.

У грамотрицательных микроорганизмов из-за наличия наружной мембраны в оболочке существуют более сложные смешанные механизмы с участием связывающих белков, локализованных в периплазматическом пространстве. Связывающие белки высокоспецифичны, образуют комплекс с субстратом и переносят его через периплазматическое пространство на соответствующие пермеазы, которые с затратой энергии транспортируют субстрат внутрь клетки. Обычно используется энергия в форме АТФ, но могут участвовать и другие соединения с макроэргическими связями. Транспортные системы с участием связывающих белков есть и у грамположительных микроорганизмов, но тогда связывающие белки «заякорены» своей N-концевой частью в цитоплазматической мембране.