Лекція 2 метаболізм бактерій. Ріст і розмноження бактерій

Метаболізм [от греч. metahole, изменение]- Сукупність всіх хімічних перетворень, що відбуваються в клітинах. Цей термін поєднує два процеси: катаболізм (Дисиміляція, або енергетичний метаболізм) і анаболізм (Асиміляція, або конструктивний метаболізм). Перший процес включає розщеплення різних субстратів для отримання енергії, другий - синтез високомолекулярних сполук, що використовуються для утворення клітинних структур.

Проміжний обмін речовин, Що перетворює низькомолекулярні фрагменти поживних речовин в ряд органічних кислот і фосфорних ефірів, називають амфіболіем. Відмінності в метаболізмі у різних груп бактерій нерідко використовують як фенотипічних маркерів при ідентифікації мікроорганізмів.

На практиці будь-яка схема ідентифікації невідомої бактерії включає дослідження наступних параметрів.

1. Здатність до утилізації різних речовин в якості джерела вуглецю.

2. Здатність до утворення специфічних кінцевих продуктів в результаті розкладання субстратів.

3. Здатність змішати рН середовища культивування в кислу або лужну сторону. Метаболізм більшості бактерій здійснюється за допомогою біохімічних реакцій розкладання органічних (рідше неорганічних) речовин і синтезу компонентів бактеріальної клітини з простих вуглецевмісних сполук.

Для нормальної життєдіяльності будь живому організму необхідні структурні фрагменти і енергія. Реакції, що ведуть до синтезу різних компонентів бактеріальних клітин (наприклад, полімеризація амінокислот в білки), представляють собою ендергоніческіе процеси, тобто процеси, не протікають мимоволі, оскільки зміна в них вільної енергії Гіббса (AG) позитивно. Спонтанно в живій клітині можуть відбуватися тільки екзергоніческіе реакції, що супроводжуються зниженням вмісту в ній вільної енергії. Іншими словами, для синтезу нового клітинного матеріалу окремі синтетичні реакції повинні бути пов'язані з реакціями, в результаті яких вивільняється енергія, що йде на цей синтез.

Реакції, пов'язані з витратою енергії, Реалізуються через спеціальні макроергічні з'єднання. У бактерій такими є нуклеозідтріфосфати, ацілфосфати і ацілтіоефіри. Серед них найбільш важливий АТФ, що грає роль своєрідної «розмінної монети» енергетичного метаболізму. АТФ - термодинамічно нестійка молекула і послідовно отщепляет фосфат з утворенням аденозиндифосфату (АДФ) або аденозин-монофосфату (АМФ). Саме ця нестійкість дозволяє АТФ виконувати функцію переносника хімічної енергії, необхідної для задоволення більшої частини енергетичних потреб клітин. Енергія кожної з двох цих фосфатних зв'язків приблизно дорівнює 75 ккал, тоді як у звичайних фосфатних зв'язків вона не перевищує 2 ккал.

Іншими словами, для освіти фосфатних зв'язків АТФ потрібно більше енергії, але й при їх розриві вона виділяється у великих кількостях. Інші макроергічні з'єднання бактеріальних клітин: гуанозинтрифосфат (ГТФ), урідінтріфосфат (УТФ), цітідінтріфосфат (ЦТФ), дезоксітімі-дінтріфосфат (дТТФ), ацетілфосфат, фосфоенолпіруват, креатинфосфату, ацетілкоензім А (аце-тил-КоА). Довгий час вважали, що єдиний тип енергетичної валюти - високоенергетичні хімічні сполуки, а серед них насамперед АТФ, однак останні роботи біоенергетиків спростували цю догму. Виявилося, що клітина має в своєму розпорядженні трьома типами енергетичної валюти: поряд з АТФ таку роль виконують протонний і натрієвий потенціали на біологічних мембранах.

Фізіологія мікроорганізмів вивчає біохімічні й енергетичні процеси, що відбуваються в бактеріальній клітині й забезпечують відтворення її структурного матеріалу та енергетичні потреби.

Бактерії є складними живими організмами, в яких відбуваються  різноманітні біохімічні перетворення. Вони зумовлюють ріст, розмноження, продукцію ферментів, токсинів та інших біологічно активних речовин, відповідають за регуляцію  функціональної активності клітин, їх високу пластичність і здатність адаптуватись до умов зовнішнього середовища.

Хімічний склад бактерій. Як і всі живі  істоти, бактерійна клітина складається з чотирьох основних елементів - азоту, вуглецю, водню, кисню. Вуглець складає 45-   55 % сухого залишку клітини, кисень - 25-30 %, азот - 8-15 % і водень - 6-8 %. Ці органогени служать матеріалом, з якого побудовано всі складові компоненти клітини: нуклеїнові кислоти, білки, ліпіди, вуглеводи, численні ферментні системи тощо.

Залежно від виду бактерії містять від 70 до 90 % води. Вона може знаходитись у вільному (в цитоплазмі) або звязаному стані. Вільна вода є середовищем, в якому відбувається  розмаїття біохімічних перетворень (розщеплення й синтез речовин) внаслідок дії гідролітичних ферментів, в ній спостерігається рух іонів, вона виступає розчинником  багатьох речовин, що надходять у клітину, забезпечує колоїдний стан цитоплазми.

Зв’язана вода - також необхідний компонет цитоплазми, проте вона не може служити розчинником. Втрата води клітиною призводить до її загибелі. Якщо бактерію помістити в гіпертонічний розчин, вода починає виходити  з неї, цитоплазма зморщується, відшаровується від стінки, набуває вигляду дрібної грудочки, а клітина гине.

Сухий залишок становить 10-30 %. Він формується  з білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів, полісахаридів, низькомолекулярних органічних речовин і солей.

 

Таблиця

Хімічний склад клітини Е. coli* (за Neidhardt, 1987)

Компонент	Загальна кількість, %від сухих вречовин клітиниклетки	Молекулярна маса, Да	Кількість молекулмолекулув клітині	Число різних видів молекулу клітині
Білок	55,0	4,7x104	2 350 000	1850
РНК	20,5
23S рРНК		1,0x106	18 700	1
16S рРНК		5,0x105	18 700	1
5S рРНК		3,9x104	18 700	1
тРНК		2,5x104	198 000	60
іРНК		1,0x106	1 380	600
ДНК	3,1	2,5x109	2	1
Ліпіди	9,1	705	22 000 000
Ліпополісахариди	3,4	4070	1 430 000	1
Пептидогликан	2,5	(904)n	1	1
Глікоген	2,5	1,0x106	4 300	1
Поліаміни	0,4
путресцин		88	5 600 000	1
спермідин		145	1 100 000	1
Метаболіти, кофактоиы, іони	3,5			800

 

Отож, у  клітині нараховується близько 30 млн різноманітних молекул

Білок складає до 55 % сухого залишку клітини. Його представлено простими та складними білками. Прості білки  називаютьпротеїнами. За своїм складом вони суттєво не відрізняються від білків еукаріотичних організмів. Основна їх маса міститься в цитоплазмі клітини, цитоплазматичній мембрані, клітинній стінці грамнегативних  мікробів, нуклеоїді. Токсини збудників газової анаеробної інфекції, правця, ботулізму, фермент гіалуронідаза є простими білками.

Складні білки - протеїди свою назву отримали за здатність сполучатися з іншими речовинами. Так, білки, звязані  з нуклеїновими кислотами, одержали назву нуклеопротеїди, з вуглеводами - глікопротеїди, ліпідами - ліпопротеїди, залізом, міддю-  хромопротеїди. Вони відіграють важливу роль у життєдіяльності клітини. Так, нуклеопротеїди забезпечують суперспіралізацію нуклеїнових кислот; глікопротеїди входять до складу клітинної стінки, капсули й виконують захисну функцію, забезпечують особливості будови клітинних антигенів; ліпопротеїди зумовлюють токсичні властивості бактеріальних ендотоксинів, отже, вірулентність мікробів; хромопротеїди відповідають за дихальну  функцію клітини, є переносниками кисню.

Тонкі фізико-хімічні дослідження дозволили встановити, що в клітині нараховується понад 2,4 млн різноманітних білкових молекул 1850 видів.

Нуклеїнові кислоти представлено дезоксирибонуклеїновою (ДНК) та рибонуклеїновою (РНК) кислотами. Їх вміст коливається в межах 25-30 % сухої маси. У клітині є дві молекули ДНК та понад 250 тисяч молекул РНК. Останні можна поділити на три групи: рибосомальні РНК, транспортні РНК і матричні (інформаційні) РНК. Матрична РНК - форма, що утворюється в процесі біосинтезу білка. Вона забезпечує передачу генетичної інформації на білок, тобто елонгацію (подовження) поліпептидних ланцюгів. Рибосомальні РНК входять до складу великих і малих субодиниць рибосом. Вони відрізняються від РНК еукаріотів  за константою седиментації. Транспортні РНК  здатні звязуватись із амінокислотами, що накопичуються в цитоплазмі, й доставляти їх до рибосом, на яких відбувається процес біосинтезу.

Вуглеводи становлять 12-20 % сухого залишку. Їх представлено різноманітними цукрами, багатоатомними спиртами, оліго-та поліозидами, полісахаридами, іншими сполуками. Їх роль у забезпеченні життєдіяльності клітини важко переоцінити, так як  вони входять до складу будь-яких структур клітини. Прості цукри є субстратом, з яких синтезуються більш складні сполуки. Полісахариди різних бактерій відрізняються за своєю специфічністю. Вони зумовлюють антигенні властивості клітини, їх вірулентні (капсули пневмококів) властивості.

Відмінності у будові бактеріальних полісахаридів лягли в основу розробки методів хемотаксономії мікробів, їх ідентифікації. Особливості складу полісахаридів оболонки дозволяють одержувати вакцини, специфічні діагностичні сироватки.

У клітині міститься  в середньому до 10 % ліпідів. Однак в окремих груп мікроорганізмів (мікобактерії, рикетсії) ця частка збільшується до 40 %. У грамнегативних бактерій в звязку з особливостями будови клітинної стінки їх у 2-5 разів більше, ніж у грампозитивних.

В середньому в клітині є до 22 млн молекул  різноманітних ліпідів. Представлено їх, в основному, жирними насиченими й ненасиченими жирними кислотами, ефірами жирних кислот і гліцерину, восками, фосфоліпідами. Вони зумовлюють захисні властивості  клітини (кислотостійкість), її токсичні функції,  беруть участь у метаболізмі.

Важливою складовою частиною будь-якої мікробної клітини є мінеральні елементи. Вони входять до складу вітамінів, ферментів, білків і можуть  знаходитись у вільному стані в цитоплазмі. Без них не обходяться біохімічні реакції. Загальна їх кількість у мікробах може досягати 2-4 % сухого залишку. Зокрема, сірка і фосфор, їх похідні  за рахунок здатності утворювати макроергічні (багаті на енергію) звязки постачають клітину енергією. Калій і натрій необхідні для нормальної життєдіяльності бактерій, забезпечують функціонування натріє-калієвого насосу. Магній й кальцій  здатні активувати багато ферментів; залізо - невідємний складник цитохромів.

Клітинний метаболізм. Сукупність усіх біохімічних   перетворень у клітині називається метаболізмом. Він відбувається за двома основними напрямками. Перший забезпечує синтез складних клітинних сполук із більш простих. Тому він одержав назвубіосинтез, конструктивний метаболізм або  анаболізм. Однак переважна  більшість реакцій синтезу й розпаду потребує енергетичного забезпечення.

Тому енергетичний метаболізм або катаболізм представляє собою потік реакцій, які супроводжуються накопиченням електрохімічної енергії, що потім викорстовується клітиною.

Конструктивний та енергетичний метаболізм  - тісно повязаний між собою комплекс перетворень, часто їх шляхи співпадають, і одні й ті ж речовини використовуються для різних потреб. У цьому випадку такі субстрати називаютьсяамфіболітами, а шляхи - амфіболічними.

Метаболічні цикли мікробів надзвичайно різноманітні. Вони здатні використовувати різні види енергії й численні вихідні субстрати для побудови  власних структур. Саме цим зумовлюється убіквітарність їх розповсюдження.

Конструктивний метаболіз прокаріотів. Для того, щоб клітина могла існувати, повинен відбуватись постійний обмін речовин з навколишнім середовищем. У клітину ззовні мусить надходити  пластичний матеріал, з якого вона  синтезує всі необхідні їй молекули.

У конструктивному метаболізмі провідна роль належить сполукам вуглецю, з якого побудовано всі живі організми. Залежно від того, який вуглець засвоюють бактерії, вони поділяються на дві групи: автотрофи і гетеротрофи.