Физиология бактерийизучает жизненные функции микроорганизмов: питание, дыхание, рост и размножение. Обмен веществ клетки и все биохимические процессы – метаболизм. Различают 2 его стороны: анаболиз и катаболизм. Анаболиз– синтез клеточных структур. Катаболизм– это совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией.
Механизмы питания бактерий.
Обмен происходит между клеткой и внешней средой и контролируется клеточной мембраной. Она проницаема для многих веществ, поток идёт в двух направлениях (из клетки и в клетку), но структура мембраны такова, что она обладает избирательной и неравномерной проницаемостью, определяющей 3 механизма питания бактерий:
I. Пассивная диффузия- осуществляется за счёт различного содержания веществ в среде и в клетке, происходит в направлении от большей концентрации к меньшей. Когда концентрация вещества по ту и другую сторону мембраны уравнивается, пассивная диффузия прекращается. Таким путём в клетку поступает и покидает её вода с растворенными в ней мелкими молекулами, способными проходить через мелкие поры мембраны. Эта диффузия не специфична и не требует затрат энергии.
II. Облегчённая диффузия– протекает при обязательном участие специфических белков локализованных (находящихся) на мембране. Они названы пермеазы (от англ. permeate – проникать, проходить сквозь). Свойство пермеаз – способность проходить через мембрану с присоединённой молекулой субстрата. Таким способом эритроциты поглощают глюкозу.
III. Активный транспорт– с его помощью растворенные вещества поступают в клетку, что требует затрат энергии. У бактерий этот механизм питания – преобладающий.У многих бактерий, особенно грамотрицательных в активном транспорте принимают участие особые связывающие белки, локализованные в периплазматическом пространстве, они обладают сродством к различным питательным веществам – аминокислотам, сахарам, неорганическим ионам. Связывающие белки образуют прочные комплексы с субстратами и необходимы для переноса через мембрану. Функционируют связывающие белки только вместе с пермеазами
Способы питания бактерий.
Углеродное питание. К числу важнейших химических элементов, необходимых для синтеза органических соединений, относят: углерод (С), азот (N), водород (Н), кислород (О). Свою потребность в водороде и кислороде бактерии удовлетворяют через воду. По способу углеродного питания бактерии делятся на: аутотрофы (автотрофы) и гетеротрофы.
Автотрофы– организмы, которые полностью удовлетворяют свои потребности в углероде за счёт СО2 . Они способны синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию света и окислительные реакции.
Гетеротрофы- организмы, которые не могут полностью удовлетворить свои потребности в углероде за счёт СО2 , а требуют для своего питания готовых органических соединений. Гетеротрофы подразделяются - на сапрофитов и паразитов.
Сапрофиты – источником питания служат мертвые органические субстраты.
Паразиты – живут за счёт живых тканей животных и растений.
Гетеротрофы усваивают углерод из готовых органических соединений, для чего требуется энергия. Существуют 2 источника энергии- фотосинтез и хемосинтез.
Фотосинтез- это синтез за счёт энергии солнечного света. Хемосинтез- это энергия, которую получают за счёт окисления неорганических соединений.
Азотное питание. По способу азотного питания бактерии подразделяются: на аминоавтотрофов и аминогетеротрофов.
Аминоавтотрофы – способны полностью удовлетворять свои потребности в азоте, необходимом для синтеза белков и нуклеиновых кислот, с помощью атмосферного и минерального азота.
Аминогетеротрофы- для роста и размножения нуждаются в готовых органических азотистых соединениях: некоторых аминокислотах и витаминах.
К числу аминоавтотрофов относятся азотфиксирующие бактерии, свободно живущие в почве –клубеньковые бактерии (они размножаются на корнях бобовых растений).Симбиоз их с растениями взаимовыгоден, так как вместе они продуцируют ряд физиологически активных соединений, которые благоприятно влияют на бобовые растения. В почве они обитают как сапрофиты. Вторая группа аминоавтотрофов представлена нитрифицирующими бактериями, которые используют для синтеза белков в качестве источника азота, соли аммиака, азотистой и азотной кислот. Эти 2 группы бактерий играют важную роль в обеспечении плодородия почв.
Аминогетеротрофы для роста и размножения нуждаются в различных органических азотистых соединениях. Многие бактерии синтезирую аминокислоты и основания из минеральных источников азота и нуждаются в витаминах (ростовых факторах): вит. Н, вит.В1 , вит. В2 , вит.В3 , вит.В4, вит. В5,вит.В9 .
Для нормальной жизнедеятельности бактерии обязательно нуждаются в ионах: Na, K, Cl, Ca2+ , Mn2+ , Mg2+ ,Fe2+ , Cu2+ , а также в сере и фосфоре, которые поступают в клетку путём диффузии и активного транспорта. Все процессы обмена веществ представляют собой цепь взаимосвязанных во времени и в пространстве саморегулируемых реакций. Каждая из реакций катализируется(ускоряется) соответствующим ферментом.
Ферменты.
Ферменты(от греч fermentum- закваска), или энзимы - специфические белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Их нет у плазмид и некоторых вирусов. У бактерий обнаружены 6 классов ферментов:
1. оксидоредуктазы(катализируют окислительно-восстановительные реакции);
2. трансферазы(катализируют реакции переноса групп атомов и др веществ);
3. гидролазы (катализируют, расщепление различных соединений - гидролиз белков, жиров, углеводов. Белки – до аминокислот и пептонов, жиры –до жирных кислот и глицерина, углеводы – до ди- и моносахаридов);
4. лигазы (катализируют реакции отщепления от субстрата химической группы или, наоборот, присоединение её);
5. изомеразы (катализируют внутримолекулярные превращения);
6. синтетазы(катализируют соединение двух молекул).
Изучение ферментов у бактерий представляет интерес для микробиологической промышленности (их используют в пивоварении, виноделии, для улучшения пористости хлеба). Изучение обмена веществ патогенных бактерий, необходимо для понимания механизмов, с помощью которых они реализуют свою патогенность т.е. для выяснения патогенеза инфекционных заболеваний.
Дыхание бактерий.
По типу дыхания бактерии делятся на:
1. строгие аэробы – размножаются только в присутствии кислорода (О2 ).
2. микроаэрофилы – нуждаются в уменьшенной концентрации кислорода.
3. факультативные анаэробы - способны потреблять глюкозу и размножаться как в аэробных так и в анаэробных условиях.
4. строгие анаэробы – размножаются только при отсутствии кислорода.
К аэробам относят таких микроорганизмов как возбудитель холеры, туберкулёза и дифтерии, а к анаэробам возбудитель столбняка и газовой гангрены.
Рост и размножение бактерий.
Рост бактерий- это увеличение клеток за счёт синтеза пластического материала в процессе питания.
Размножение– это увеличение числа особей в микробной популяции.
Скорость деления бактерий в среднем составляет 20-30 минут.
Размножение бактерий в жидкой питательной среде идёт в 4 фазы:
v исходная– клетки адаптируются к питательной среде, возрастает интенсивность обменных процессов, увеличивается размер клеток. К концу фазы клетки начинают размножаться;
v логарифмического роста –энергичное размножение количество клеток возрастает в геометрической прогрессии. В этой фазе наибольшая биохимическая и биологическая активность;
v стационарная –число вновь появившихся клеток равно числу отмирающих;
v отмирания– жизнеспособность клеток снижается и они погибают.
Причинами гибели клеток могут быть:
o истощение питательной среды;
o накопление в питательной среде продуктов распада.