29.Фазы роста бактерий.

Рост бактерий обычно включает три фазы. Когда популяция бактерий попадается к богатому на питательные вещества окружению, которое позволяет рост, клеткам нужен определенное время, чтобы приспособиться к новому окружению. Первая фаза роста, фаза медленного роста, является фазой такого приспособления. Эта фаза характеризуется высокой скоростью биосинтеза ферментов и активного транспорта. За ней следует фаза экспоненциального роста, который характеризуется быстрому экспоненциальным ростом количества бактерий. Скоростью роста полагает время удвоения бактерий на протяжении этой фазы. Последняя фаза роста — стационарная фаза, которая вызвана истощением питательных веществ. Клетки сокращают свою метаболическую деятельность и потребляют несущественные клеточные белки. Стационарная фаза — это переход от быстрого роста к стрессовому состоянию, которое характеризуется увеличением экспрессии генов, которые принимают участие в ремонте ДНК и антиоксидантном метаболизме.

30. Прокариоты и окружающая среда.

Прокариоты и факторы внешней среды.

Для прокариот как группы в целом характерна способность существовать в гораздо большем диапазоне условий внешней среды, чем для эукариотных организмов. Среди прокариот есть организмы, которые могут расти в подводных вулканических источниках (температура до 300 градусов по С), кислой (рН 1 и ниже) и щелочной (рН 11 и выше) среде, при давлении 1000 атм, высоких концентрациях тяжелых металлов, концентрации соли до 30%, высоких уровнях радиации. Обязательным условием для этого является наличие водной среды. Прокариоты растут при активности воды диапазоне от 0,7 до 0,998 и не могут расти в аэрозолях и во льду.

Активность воды (Aw) служит мерой ее доступности и определяется в соответствии со следующим уравнением:

Aw = P/P0 = n2/(n1-n2),

где Р - давление пара раствора; Р0 - давление пара растворителя (чистой воды); n1 и n2 - число молей растворителя и растворенного вещества соответственно.

Энергетические ресурсы.

Организмы могут использовать не все виды энергии, существующей в природе. Недоступными для них являются ядерная, механическая, тепловая виды энергии. Чтобы теплота могла служить источником энергии, необходим большой перепад температур, который в живых организмах невозможен.

Доступными для живых систем внешними источниками энергии (энергетическими ресурсами) являются электромагнитная (физическая) энергия (свет определенной длины волны) и химическая энергия (восстановленные химические соединения) . Способностью использовать энергию света обладает большая группа фотосинтезирующих организмов , в том числе и прокариот, имеющих фоторецепторные молекулы нескольких типов ( хлорофиллы , каротиноиды , фикобилипротеины ). Для всех остальных организмов источниками энергии служат процессы окисления химических соединений.

Часто энергетическими ресурсами служат биополимеры, находящиеся в окружающей среде ( полисахариды , белки , нуклеиновые кислоты ), а также липиды . Прежде чем быть использованными, биополимеры должны быть гидролизованы до составляющих их мономерных единиц. Этот этап весьма важен по следующим причинам. Белки и нуклеиновые кислоты отличаются исключительным разнообразием. Количество видов белков исчисляется тысячами, после гидролиза же образуется только 20 аминокислот. Все разнообразие нуклеиновых кислот ( ДНК и РНК ) после гидролиза сводится к 5 видам нуклеотидов. Таким образом, расщепление полимеров до мономерных единиц резко сокращает набор химических молекул, которые могут быть использованы организмом.

Полимерные молекулы расщепляются до мономеров с помощью ферментов, синтезируемых и выделяемых прокариотами в окружающую среду (экзоферментов). Крахмал и гликоген гидролизуются амилазами , гликозидные связи целлюлозы расщепляются целлюлазой . Многие бактерии образуют пектиназу , хитиназу , агаразу и другие ферменты, гидролизующие соответствующие полисахариды и их производные. Белки расщепляются внеклеточными протеазами , воздействующими на пептидные связи. Нуклеиновые кислоты гидролизуются рибонуклеазами и дезоксирибонуклеазами . Образующиеся небольшие молекулы легко транспортируются в клетку через мембрану.

Процесс распада жирных кислот локализован в клетке и включает несколько этапов. На первом из них жирная кислота с помощью соответствующего фермента превращается в КоA-производное, которое окисляется в бета-положении с последующим отщеплением ацетил-КоA . Другим продуктом реакции является КоA-производное жирной кислоты, укороченное на два углеродных атома. Ацетил-КоA по катаболическим каналам используется для получения клеткой энергии.

Процесс расщепления биополимеров не связан с образованием свободной, т.е. доступной клетке, энергии.

Свободная энергия (дельта G) - это та часть энергии, которая может быть превращена в работу. При протекании химических реакций в живом организме самопроизвольно идут те процессы, в которых изменение свободной энергии будет отрицательным (-дельта G). Такие процессы называются экзергоническими . Процессы, для которых дельта G является величиной положительной, называются эндергоническими . Эти процессы не могут происходить самопроизвольно. При протекании эндергонических процессов необходим приток энергии извне.

Для каждой химической реакции характерно определенное изменение стандартной свободной энергии (-дельта G0'), т.е. изменение свободной энергии при стандартных значениях температуры и давления, 1М концентрации исходных веществ и продуктов реакции и рН 7,0. Например, дельта G0' гидролиза АТФ до АДФ и Фн равняется 31,8 кДж/моль (при 1М концентрации исходных веществ и продуктов реакции, температуре 37 гладусов по С, рН 7,0 в присутствии избытка ионов Mg2+). Для биолога важно, что по такому параметру, как изменение свободной энергии, он может осуществлять анализ биологических процессов.

Происходящее при этом рассеивание энергии также невелико. Образовавшиеся мономеры подвергаются в клетке дальнейшим ферментативным превращениям, которые сводятся к тому, чтобы путем перестройки химической структуры получить молекулы, которые могли бы включиться на каком-либо этапе в качестве метаболитов в функционирующие клеточные катаболические системы. Таких в прокариотной клетке несколько. Основные из них: путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (гликолиз) , окислительный пентозофосфатный путь , путь Энтнера-Дудорова и цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) . Общее для всех катаболических путей - многоступенчатость процесса окисления исходного субстрата. На некоторых этапах окисление субстрата сопряжено с образованием энергии в определенной форме, в которой эта энергия может использоваться в самых разнообразных энергозависимых процессах.

Таким образом, внешние доступные организмам источники энергии (свет, химические соединения) должны быть трансформированы в клетке в определенную форму, чтобы обеспечить внутриклеточные потребности в энергии.

Отношение к молекулярному кислороду

Кислород широко распространен в природе, находясь как в связанном, так и свободном состоянии. В первом случае он входит в состав молекул воды, органических и неорганических соединений. Во втором - присутствует в современной атмосфере в виде молекулярного кислорода (О2), объемная доля которого составляет 21%.

Кислород является обязательным химическим компонентом любой клетки. Подавляющее большинство организмов удовлетворяет свои потребности в этом элементе, используя обе формы кислорода. При выращивании Pseudomonas в присутствии 18О2 и Н218О источником приблизительно 10% кислорода, входящего в состав клеточного материала, служил газообразный кислород, 50-60% клеточного кислорода происходило из воды. Остальной кислород в клетку поставляли органические и неорганические компоненты питательной среды (глюкоза, фосфаты, нитраты, сульфаты и др.).

Среди прокариот существуют значительные различия в отношении к молекулярному кислороду. По этому признаку они могут быть разделены на несколько групп. Прокариоты, для роста которых О2 необходим, называют облигатными (обязательными) аэробами. К ним относится большинство прокариотных организмов. Среди облигатных аэробов обнаружены существенные различия в отношении к уровню молекулярного кислорода в среде. Некоторые представители этой группы не способны к росту при концентрации О2, равной атмосферной, но могут расти, если содержание О2 в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2%). Такие облигатно аэробные прокариоты получили название микроаэрофилов .

Потребность прокариот в низкой концентрации О2 в окружающей среде связана с их метаболическими особенностями. Многие аэробные азотфиксирующие бактерии могут расти в среде с молекулярным азотом только при концентрации О2 ниже 2%, т.е. как микроаэрофилы, а в присутствии связанного азота, например аммонийного, - на воздухе. Это объясняется ингибирующим действием молекулярного кислорода на активность нитрогеназы - ферментного комплекса, ответственного за фиксацию N2.

Аналогичная картина обнаружена у многих водородокисляющих бактерий. На среде с органическими соединениями в качестве источника энергии они хорошо растут при атмосферном содержании О2. Если источником энергии является окисление молекулярного водорода, эти же бактерии для роста требуют низкой концентрации О2. Последнее связывают с инактивацией молекулярным кислородом гидрогеназы - фермента, катализирующего использование Н2.

Наконец, среди облигатных аэробов существуют значительные различия в устойчивости к высоким уровням О2 в среде. 100%-й молекулярный кислород подавляет рост всех облигатных аэробов. Многие аэробные бактерии могут формировать колонии на поверхности твердой питательной среды в атмосфере, содержащей 40% О2, но рост их прекращается, когда содержание О2 в атмосфере повышается до 50%.

Известны прокариоты, для метаболизма которых О2 не нужен, т. е. энергетические и конструктивные процессы у них происходят без участия молекулярного кислорода. Такие организмы получили название облигатных анаэробов . К ним относятся метанобразующие архебактерии , сульфатвосстанавливающие, маслянокислые и некоторые другие эубактерии . До сравнительно недавнего времени считали, что облигатные анаэробы могут получать энергию только в процессе брожения. В настоящее время известно много облигатно анаэробных прокариот, которые произошли от аэробов в результате вторичного приспособления к анаэробным условиям, приведшего к потере способности использовать О2 в качестве конечного акцептора электронов в процессе дыхания. Такие облигатные анаэробы получают энергию в процессах анаэробного дыхания, т.е. переноса электронов по цепи переносчиков на СО2, SO4--, фумарат и другие акцепторы.

В ряду облигатно анаэробных прокариот, не включающих O2 в метаболические реакции, существует широкий спектр степени устойчивости к молекулярному кислороду, находящемуся во внешней среде. Многие из облигатных анаэробов не выносят присутствия даже незначительных количеств молекулярного кислорода в среде и быстро погибают. Такие организмы называют строгими анаэробами . К числу строгих анаэробов относятся представители родов Bacteroides , Fusobacterium , Butyrivibrio , Methanobacterium и др.

Маслянокислые бактерии относятся также к группе облигатных анаэробов, но среди них есть виды, умеренно ( Clostridium tetani , Сlostridium carnis , Сlostridium tertium , Сlostridium sporogenes ) или достаточно высоко ( Сlostridium perfringens , Сlostridium acetobutylicum ) толерантные к О2.

Наконец, молочнокислые бактерии, обладающие метаболизмом только анаэробного типа, могут расти в присутствии воздуха и выделены в отдельную группу аэротолерантных анаэробов . (Некоторые авторы относят молочнокислые бактерии рода Lactobacillus к микроаэрофилам на том основании, что в их клетках содержатся флавопротеины , катализирующие перенос электронов с НАД*Н2 на О2. Однако этот процесс не связан с получением клеткой энергии).

Хотя облигатно анаэробные бактерии в целом очень чувствительны к О2, они могут в природе находиться в аэробных зонах. Широкое распространение представителей рода Clostridium в местах с высоким парциальным давлением О2 объясняется наличием у них эндоспор, не чувствительных к молекулярному кислороду. Однако и многие не образующие спор строго анаэробные прокариоты обнаружены в природе в местах, где наблюдается активное развитие облигатных аэробов. Вероятно, совместное развитие с облигатными аэробами, активно потребляющими молекулярный кислород, приводящее к образованию зон с низкой концентрацией 02, создает возможности и для развития строго анаэробных видов.

Описаны прокариотные организмы, которые могут расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Изучение этого явления показало, что природа его различна. Бактерии, не нуждающиеся в О2 (последний не участвует в осуществляемых ими метаболических реакциях), но способные расти в его присутствии, являются по типу осуществляемого ими метаболизма облигатными анаэробами , устойчивыми к О2 внешней среды. Примером таких организмов служат молочнокислые бактерии. Многие прокариоты, относящиеся к этой же группе, приспособились в зависимости от наличия или отсутствия О2 в среде переключаться с одного метаболического пути на другой, например с дыхания на брожение, и наоборот. Такие организмы получили название факультативных анаэробов, или факультативных аэробов . Представителями этой физиологической группы прокариот являются энтеробактерии . В аэробных условиях они получают энергию в процессе дыхания. (Среди факультативных анаэробов в условиях осуществления ими метаболизма аэробного типа также могут быть микроаэрофилы ). В анаэробных условиях источником энергии для них служат процессы брожения или анаэробного дыхания.

Потребность в О2 у аэробов определяется его участием в энергетических и конструктивных процессах. В первом случае О2 служит обязательным конечным акцептором электронов, во втором - участвует в реакциях (или единственной реакции) на пути многоступенчатого преобразования клеточных метаболитов или экзогенных субстратов. У облигатных аэробов большая часть О2 используется в качестве конечного акцептора электронов в реакциях, катализируемых цитохромоксидазами. Меньшая часть включается в молекулы с помощью ферментов, получивших общее название оксигеназ. В клетках факультативных анаэробов также содержатся цитохромоксидазы. У облигатных анаэробов нет ферментов, катализирующих взаимодействие с О2.

Влияние излучения.

Все живые организмы находятся под воздействием разных видов излучения. Эффекты, вызываемые облучением живых организмов, зависят от длины волны излучения и его дозы, т.е. от энергии и количества поглощенных квантов .Излучение в области длин волн от 300 до 1100 нм, приходящееся в основном на видимый свет, обеспечивает возможность осуществления упорядоченных реакций при поглощении его подходящими для этого системами. В организмах излучение в этом диапазоне индуцирует такие процессы, как фотосинтез , фототаксис , фотореактивацию ДНК, синтез некоторых макромолекул. Для излучений с длиной волны больше 1100 нм к настоящему времени не зарегистрировано каких-либо биологических эффектов. Основное действие ИК-излучения - ускорение движения молекул (нагревание). Действие коротковолнового излучения на организмы приводит к возникновению мутаций или вызывает смертельный (летальный) исход из-за необычайно высокой фотохимической активности этого вида излучения, приводящего к модификации или разрушению поглотивших его органических молекул.

Важнейшим источником естественного излучения является солнечная радиация. Основная масса падающей на Землю солнечной энергии (примерно 75%) приходится на долю видимых лучей, почти 20% - на ИК-область спектра и только приблизительно 5% - на УФ с длиной волны 300-380 нм. Нижний предел длин волн солнечной радиации, падающей на земную поверхность, определяется плотностью так называемого озонового экрана. Излучение с длиной волны до 220 нм вызывает ионизацию молекул кислорода верхних частей атмосферы, приводя к образованию слоя озона (О3) с максимальной концентрацией на высоте примерно 25 км от поверхности Земли. Озоновый слой эффективно поглощает электромагнитное излучение с длинами волн в области 220-300 нм, выполняя функцию экрана. Таким образом, УФ с длиной волны до 220 нм полностью поглощается молекулами кислорода атмосферы, а в области 220-300 нм эффективно задерживается озоновым экраном.

Важной частью солнечного спектра является область, примыкающая с обеих сторон к 300 нм. Начиная с 300 нм и дальше, излучение индуцирует фотосинтетические и фототактические реакции, при этом у прокариот диапазон длин волн, в котором возможны оба процесса, значительно шире, чем у эукариот.

Фотосинтез, сопровождающийся выделением О2, свойственный всем эукариотным организмам и двум группам эубактерий ( цианобактериям и прохлорофитам ), возможен в диапазоне от 300 до 750 нм. Для эубактерий, способных к осуществлению бескислородного фотосинтеза, диапазон излучений, обеспечивающих фотосинтетическую активность, увеличивается в сторону более длинных волн, захватывая ближнюю ИК-область: для зеленых бактерий вплоть до 840 нм, пурпурных - до 920 нм, а для некоторых представителей этой группы - до 1100 нм.

Спектры активности фототаксиса у эубактерий совпадают со спектрами фотосинтетической активности, поскольку фоторецепторами в обоих случаях служат одни и те же пигменты.

У экстремально галофильных архебактерий рода Halobacterium пигменты, запускающие фотосинтез и обеспечивающие фототактическую реакцию, различны и активны в диапазоне длин волн примерно от 450 до 600 нм.

Свет в диапазоне от дальнего УФ до дальней красной области влияет на разнообразные жизненные функции (подвижность, циклы развития, синтез каротиноидов) не только фототрофных , но и хемотрофных прокариот . Фоторецепторами, запускающими или контролирующими определенные метаболические пути, служат разные типы молекул: флавины, каротиноиды, порфирины. Солнечная радиация в диапазоне 220-300 нм, достигающая Земли, активно поглощается также молекулами белков и нуклеиновых кислот. Хотя повреждение негенетического материала может приводить к отрицательным эффектам, особенно при облучении клеток высокими дозами, при облучении более низкими дозами основной причиной инактивации клеток служит повреждение ДНК.

Влияние температуры.

При определении влияния температуры на прокариотные организмы следует различать два момента: способность организмов к выживанию после длительного нахождения в экстремальных температурных условиях и способность их к росту в этих условиях.

Приспособления, сформированные у прокариот для перенесения неблагоприятных условий, в том числе и температурных, - это споры , цисты . Устойчивость вегетативных клеток и различных покоящихся форм больше в условиях воздействия низкими температурами. Так, вегетативные клетки и покоящиеся формы сохраняли жизнеспособность после длительного выдерживания при температуре, близкой к абсолютному нулю. Последнее используется в качестве одного из способов, обеспечивающих длительное хранение культур прокариот.

При изучении влияния температуры на рост прокариотных организмов выделяют температурный диапазон, ограниченный минимальной и максимальной температурами, при которых рост прекращается, а также область оптимальных температур с максимальной скоростью роста. Положение на температурной шкале основных точек (минимальная, максимальная, оптимальная температуры), а также величина температурного диапазона роста прокариот сильно различаются. На основании этих показателей прокариоты делят на три основные группы: мезофилы , психрофилы и термофилы . Последние, в свою очередь, подразделяются на отдельные подгруппы.

Отношение к кислотности среды.

Кислотность среды (концентрация водородных ионов, рН) является важным фактором, определяют возможность существования прокариот. Концентрация ионов водорода в окружающей среде действует на организм прямо (непосредственное воздействие Н+) или косвенно (через влияние на ионное состояние и доступность многих неорганических ионов и метаболитов, стабильность макромолекул, равновесие электрических зарядов на поверхности клетки).

При низких значениях рН растворимость углекислоты, являющейся основным или даже единственным источником углерода для автотрофных прокариот , понижается, а растворимость некоторых ионов (Cu++, Mo++, Mg++, Al+++) возрастает и достигает уровней, токсичных для многих прокариот. Наоборот, при высоких значениях рН растворимость многих катионов (Fe++, Ca++, Mg++, Мn++), необходимых клетке, резко понижается, они выпадают в осадок и, таким образом, становятся недоступными для организмов. рН влияет на состояние веществ в окружающей среде. Органические кислоты в кислой среде находятся в недиссоциированной форме, в которой легко проникают в клетку, становясь токсичными для нее. Концентрация Н+ внешней среды влияет и на равновесие электрических зарядов на поверхности клетки: при низких значениях рН увеличивается суммарный положительный заряд, при высоких - суммарный отрицательный заряд.

В Мировом океане и на большей части суши концентрация водородных ионов поддерживается в довольно узком диапазоне, оптимальном для роста большинства прокариот, предпочитающих нейтральные или слабощелочные условия. Довольно часто встречаются умеренно кислые природные среды, имеющие рН около 3-4. Это многие озера, кислые болота, некоторые истощенные почвы. Среды с более низким рН чрезвычайно редки; рН 3 и ниже имеют обычно терриконы угольных шахт, дренажные воды, рудничные стоки.

К наиболее кислым из природных сред, вероятно, относятся горячие кислые источники и окружающие их горячие кислые почвы, рН которых может достигать 1. Из этих мест были выделены бактерии, являющиеся одновременно термофилами и ацидофилами . Это Sulfolobus acidocaldarius , факультативно автотрофная сероокисляющая архебактерия , растущая в области рН от 1 до 5,8 (оптимальная область рН - 2-3). Температурный оптимум выше 70 градусов по С. S.acidocaldarius - обитатель горячих кислых источников, расположенных в разных частях земного шара. Другие обитатели таких мест - Bacillus acidocaldarius , Bacillus coagulans , Thermoplasma acidophilum . Из тех же мест (области, где температура ниже 55 градусов по С) выделен и Thiobacillus thiooxidans .

Встречающиеся в природе щелочные условия обычно связаны с почвами. Таковы почвы, обогащенные щелочными минералами, экскрементами животных, разлагающимися белками. В таких почвах рН может достигать 10. Обнаружены также щелочные озера и источники, рН которых 8-11. Из таких мест выделены представители родов Bacillus , Pseudomonas , Flavobacterium , Streptococcus и др. Некоторые из нитрат- и сульфатвосстанавливающих бактерий могут существовать при рН выше 11. Цианобактерии обильно растут в природных средах с рН до 10.