ІСТОРИЧНИЙ НАРИС РОЗВИТКУ МІКРОБІОЛОГІЇ


ІСТОРИЧНИЙ НАРИС РОЗВИТКУ МІКРОБІОЛОГІЇ (демонстраційний матеріал представнений у презентації)
1. Предмет та задачі мікробіології. Мікробіологія (від грец.-малий, лат.–життя) – наука, предмет вивчення якої – мікроскопічні істоти (мікроорганізми або мікроби), їх біологічні ознаки, систематика, екологія, взаємовідносини з іншими організмами. Термін для назви науки запропонований Дюкло, одним зі співробітників Пастера.
Мікроорганізми – найдревніша форма організації життя на Землі, вони з’явилися задовго до виникнення рослин і тварин – близько 3-4 млрд. років тому. На теперішній час – це найчисельніша і найрізноманітніша група організмів, яка населяє біосферу Землі. Усі мікроорганізми поділяють на 4 великі царства – бактерії, гриби, найпростіші та віруси. Кожне з них – предмет вивчення окремих розділів мікробіології – бактеріології, мікології, протозоології, вірусології. Зосередимо свою увагу, передусім, на бактеріях, – прокаріотичних організмах, що відрізняються особливістю організації, швидкістю росту, різноманітністю фізіологічних властивостей, здатністю швидко адаптуватися, важливістю участі в екологічних процесах, розвитку інфекційних захворювань та можливістю використання в біотехнологічній, фармакологічній, медичній, нанопромисловій практиці.
У процесі розвитку мікробіології розроблено оригінальні методи дослідження, багато з яких перейшли з інших дисциплін – біофізики, біохімії, генетики, цитології та інших. За всю історію розвитку перед мікробіологією стояли певні завдання, успішне розв’язання яких сприяло науковому і суспільному прогресу людства. А вже це стимулювало розвиток спеціалізованих розділів мікробіології: загальної (вивчає найзагальніші закономірності, властиві кожній групі перерахованих мікроорганізмів, – структуру, метаболізм, генетику, екологію), технічної (розробка технологій синтезу мікроорганізмами біологічно активних речовин), сільсько-господарської (займається вивченням мікроорганізмів, які беруть участь у кругообізі речовин і викликають захворювання рослин), ветеринарної (вивчає збудників захворювань тварин, розробляє методи їх біологічної діагностики, специфічної профілактики й етіотропного лікування), медичної (предмет вивчення – патогенні й умовно-патогенні для людини мікроорганізми, а також розробка методів мікробіологічної діагностики, специфічної профілактики й етіотропного лікування викликаних ними інфекційних захворювань), санітарної (предмет вивчення – санітарно-мікробіологічний стан об’єктів навколишнього середовища, харчових продуктів, напоїв), морської, космічної.
У становленні мікробіології розглядають кілька історичних етапів – описово-морфологічний, пастерівський, сучасний.
2. Початковий період розвитку мікробіології. Думка про існування невидимих істот виникла ще у древності. Увесь історичний час людина жила в оточенні невидимих істот, продукти життєдіяльності яких використовувала (наприклад, під час випікання хліба, виготовлення вина й оцту), і потерпала, коли ці істоти були причиною хвороб або псували запаси їжі. Використання збільшуваних приладів дозволило ідентифікувати невидимі оком істоти (двоопуклі лінзи Стародавнього Вавилона, мікроскопи братів Ясенів, Г. Галілея, Р. Гука). Відкриття мікробів пов’язане з ім’ям голландського фабриканта А. ван Левенгука, який, використовуючи власноруч сконструйований мікроскоп (зі збільшенням у 200 разів), постулював, що навколишній світ густо заселений мікроскопічними мешканцями. Усі побачені ним мікроорганізми, в тому числі й бактерії, А. ван Левенгук уважав маленькими тваринами –„анімалькулями” і був переконаний, що вони влаштовані так само, як і великі організми, тобто мають органи травлення, ніжки, хвостики і т.д. Спостереження дослідник виклав у листах до Лондонського Королівського товариства та книзі “Таємниці природи, відкриті Антонієм Левенгуком”. Левенгук, вражений кількістю організмів у зубній осузі писав: «Я побачив безліч дрібних тварин, що швидко рухалися…У моєму роті їх більше, ніж людей у Сполученому Королівстві». Відкриття А. ван Левенгука були настільки несподіваними і навіть фантастичними, що шокували тогочасне товариство і протягом майже 50 наступних років викликали загальний подив (див. презентацію).
Проте саме відтоді людство намагалося розв’язати 3 проблеми, пов’язані з діяльністю мікроорганізмів – дослідження процесів бродіння та гниття, встановлення причин виникнення інфекційних хвороб, проблема самозародження організмів.
У творах стародавніх грецьких і римських авторів можна знайти рецепти приготування вина, кислого молока, хліба, що свідчать про широке використовування в побуті бродіння. В роки Середньовіччя алхіміки не обійшли увагою ці процеси і вивчали їх разом з іншими, суто хімічними перетвореннями. У цей період зроблено перші спроби з’ясувати природу процесів бродіння.
Термін „бродіння” (fermentatio) для позначення всіх процесів, що йдуть із виділенням газу, вперше застосував голландський алхімік Я. ван Гельмонт (1577-1644 рр.). Погляд на бродіння та гниття як на суто хімічні процеси сформулював у 1697 р. німецький лікар і хімік Р. Шталь (1660-1734 рр.). За уявленнями Р. Шталя, бродіння та гниття – це хімічні перетворення, що відбуваються під дією молекул „ферменту”, які передають властивий їм внутрішній активний рух молекулам субстрату, виступаючи своєрідними каталізаторами реакції. Однак цей погляд поділяли не всі дослідники.
Одне з перших припущень про зв’язок описаних А. ван Левен-гуком „глобул” (дріжджів) з явищами бродіння та гниття належить французькому натуралісту Ж. Л. Бюффону (1707-1788 рр.). Дуже близько підійшов до розуміння ролі дріжджів у процесі бродіння французький хімік А. Л. Лавуазьє (1743-1794 рр.), вивчаючи хімічні перетворення цукру при спиртовому бродінні.
Із 30-х рр. XIX ст. починається період інтенсивних мікроскопічних спостережень. У 1827 р. французький хімік Ж. Б. Демазьєр (1783-1862 рр.) описав будову дріжджів, що формують плівку на поверхні пива. Довести, що життєдіяльність живих істот - це причина бродіння, вдалося французькому ботаніку Ш. Каньяр де Латуру (1777-1859) та німецьким природодослідникам Ф. Кютцингу (1807-1893) і Т. Шванну (однак їх ідеї не отримали визнання та навіть критикувалися прихильниками теорії фізико-хімічної природи бродіння).
Означений період характеризується також інтенсивним вивченням збудників захворювань, хоча ще старогрецький лікар Гіппократ (460-377 до н. е.) у книзі „Канон медицини” висловлював припущення, що чума та віспа викликаються невидимими живими істотами. Подібні думки можна знайти і у працях Аристотеля („Чому від деяких хвороб заражаються при дотику хворих, а від здоров‘я ще ніхто не одужав”), Авіценни (980-1037 рр.), італійського лікаря, астронома і поета Дж. Фракастро (1478-1553 рр.), російського лікаря-епідеміолога Д.С. Самойловича (1744-1805 рр.). Фракастро ввів поняття про контагіуми – дрібні, невидимі оком живі істоти, які є не лише збудниками хвороб, а й викликають розпад рослинних залишків у ґрунті та воді. Підсумком його міркувань стали твори «Про контагії, про контагіозні хвороби і лікування» та поема «Сифіліс чи французька хвороба».
Протягом тривалого періоду людство потерпало від численних епідемій та пандемій. Збереглися свідчення про значні людські втрати у Європі в період Середньовіччя – у XIV ст. зі 106 млн мешканців загинуло 26 млн від чуми. Засобами своєрідної профілактики було запровадження карантину (від італ. 40 днів). За іронією долі багато відкриттів і чудових творів зроблено та написано в період закриття наукових закладів і цілих міст – Ньютон, Пушкін. В 1827 році італійський природодослідник А. Бассі (1773-1856 рр.), вивчаючи захворювання шовкопрядів, помітив передачу хвороби під час перенесення мікроскопічного грибка від хворої особини до здорової та експериментально встановив мікробну природу захворювання.
У 30-х роках ХІХ ст. французьким медиком Я.Генле виявлені трихомонади у вмісті вагіни жінок, а також грибки у хворих фавусом і трихофітією. В 1849-1850 рр. описані паличкоподібні бактерії у крові корів і овець, хворих сибірською виразкою.
3. Наукова діяльність мікробіологів ХІХ ст. Розвиток виноробства Франції та інших країн спонукав до розв’язання ряду технологічних питань, зокрема виявлення й усунення причин скисання вина. Водночас у сфері медицини визріла необхідність з’ясування причин нагнивання ран та природи інфекційних захворювань. Відповідь на ці та інші питання вдалося знайти видатному французькому вченому Луї Пастеру (1822-1895 рр.), який вважається основоположником сучасної мікробіології. Наукова діяльність Л. Пастера була багатогранною. Вивчаючи молочнокисле, спиртове, маслянокисле бродіння, „хвороби” вина, захворювання тварин і людини, Л. Пастер з’ясував, що ці процеси викликаються певними видами мікроорганізмів і безпосередньо пов’язані з їхньою життєдіяльністю. Отже, Л. Пастер уперше показав, що мікроорганізми – це активні форми, корисні або шкідливі, що енергійно впливають на оточуючу природу, в тому числі й на людину.
У 1857 р. Л. Пастер встановив, що спиртове бродіння – є результат життєдіяльності дріжджів без доступу кисню, дещо пізніше – маслянокисле бродіння відбувається лише в умовах, які виключають вільний доступ кисню.
Роботи Л. Пастера з вивчення інфекційних хвороб тварин і людини (хвороба шовковичних червів, сибірська виразка, куряча холера, сказ) дозволили йому не тільки з’ясувати природу цих захворювань, а й знайти спосіб боротьби з ними. Науково спростував хибну думку про самозародження життя, стверджуючи, що істоти походять лише від подібних собі батьків. Експерименти, що постулюють протилежне – або помилка та самообман, або погано проведені досліди.
Одним із перших, хто оцінив значення відкриттів Л. Пастера, був англійський хірург Дж. Лістер (1827-1912 рр.). Він зрозумів, що причина високої смертності після операцій – зараження ран бактеріями через незнання та недотримання елементарних правил антисептики. Дж. Лістер ввів у медичну практику методи попередження подібного зараження ран, що полягали в обробці всіх хірургічних інструментів і операційних приміщень карболовою кислотою.
Одним з основоположників медичної мікробіології вважається також німецький мікробіолог Р. Кох (1843-1910 рр.). Працюючи сільським лікарем, Р. Кох вивчав розвиток сибірської виразки і в 1877 р. опублікував працю, присвячену збуднику цього захворювання – Bacillus anthracis. Надалі увагу вченого привернула інша важка й поширена хвороба того часу – туберкульоз. У 1882 р. Р. Кох повідомив про відкриття збудника туберкульозу, який у його честь був названий "паличкою Коха" (в 1905 р. за дослідження туберкульозу Р. Коху була присуджена Нобелівська премія). Йому належить також відкриття збудника холери (1883 р.) та введення в мікробіологічну практику методу виділення чистих культур, використання анілінових барвників, водно-імерсійних об’єктивів (масляно-імерційні об‘єктиви створені Карлом Цейсом у 1878 році), мікрофотографування. В ті ж роки сформувалася тріада Генне–Коха для оцінки інфекційних мікроорганізмів:
• Передбачуваний мікроб-збудник завжди повинен виявлятися при цьому захворюванні, не виділятися при інших хворобах і у здорових осіб;
• Мікроб-збудник повинен бути виділений у чистій культурі;
• Чиста культура цього мікроба повинна викликати в експериментально заражених тварин захворювання з клінічною та патологічною картиною, аналогічною людському.
Основоположником медичної мікробіології справедливо вважають також І.І. Мечникова (1845-1916 рр.). І.І. Мечников був різностороннім дослідником, але найбільшу зацікавленість у нього викликала проблема вивчення взаємовідносин господаря і мікроорганізму-паразита. В 1883 р. І. І. Мечников сформував фагоцитарну теорію імунітету (автор теорії гуморального імунітету П. Ерліх). Учений показав, що захист організму від хвороботворних мікроорганізмів – складна біологічна реакція, в основі якої знаходиться здатність фагоцитів захоплювати і руйнувати сторонні тіла, що потрапили в організм (у 1909 р. за дослідження фагоцитозу І. І. Мечникову була присуджена Нобелівська премія). Запровадив поняття антибіоз – здатність молочнокислих бактерій пригнічувати розвиток гнильної мікрофлори в кишечнику та довів корисність молочнокислих продуктів. Створив одну з теорій старіння організму, що базується на забрудненні організму шкідливими шлаками.
„Золотий” вік мікробіології характеризується численними відкриттями збудників інфекційних захворювань: стафілококів, стрептококів, клостридіїв анаеробної інфекції, спірохет поворотного тифу, респіраторних захворювань, найпростіших (малярія, дизентерія, лейшманія). Встановлена здатність окремих бактерій утворювати токсини. У 1888 р. Е.Ру і А.Ієрсен уперше виділили дифтерійний екзотоксин, через кілька років створили антитоксичну сироватку.
Відомості про активну участь мікроорганізмів у процесах перетворення речовин у природі швидко нагромаджувалися в 70-80-х рр. XIX ст. У 1877 р. французькі хіміки Т. Шлезинг і А. Мюнц довели мікробіологічну природу процесу нітрифікації. У 1882 р. П. Дегерен відкрив природу процесу денітрифікації, а двома роками пізніше встановив мікробіологічну природу анаеробного розпаду рослинних залишків. М. С. Воронін у 1867 р. описав бульбочкові бактерії, а через майже двадцять років Г. Гельригель і Г. Вільфарт показали їх здатність до азотфіксації. П. А. Костичев створив теорію мікробіологічної природи процесів ґрунтоутворення.
Значний внесок у розвиток загальної мікробіології внесли російський мікробіолог С. М. Виноградський (1856-1953 рр.) і голландський мікробіолог М. Бейєринк (1851-1931 рр). Для виділення в лабораторних умовах групи бактерій із певними властивостями С. М. Виноградський запропонував створювати специфічні (елективні) умови, що дають можливість розвиватися лише певній групі організмів (виділення азотфіксаторів). Користуючися мікроекологіч-ним принципом, С. М. Виноградський виділив із ґрунту мікроорганізми, що є абсолютно новим типом життя – хемолітоавтотрофи. Як єдине джерело вуглецю для побудови всіх речовин клітини хемолітоавтотрофи використовують СО2, а енергію одержують у результаті окислення неорганічних сполук сірки, азоту, заліза або молекулярного водню.
Мікроекологічний принцип був успішно розвинений М.Бейєринком і застосований під час виділення різних груп мікроорганізмів. Зокрема, М. Бейєринк виділив із ґрунту ще один вид бактерій, здатний до росту й азотфіксації в аеробних умовах, – Azotobacter chroococcum. Йому також належать праці з вивчення фізіології бульбочкових бактерій, процесів денітрифікації та сульфатредукції.
М.Г. Холодний виявив і дослідив залізобактерії, можливість продукування бактеріями летких речовин. В.Л.Омелянський вивчав процеси розпаду клітковини та пектинових речовин.
Кінець XIX ст. ознаменувався ще одним важливим відкриттям у галузі мікробіології. В 1892 р. Д. І. Івановський відкрив вірус тютюнової мозаїки (у 1898 р. незалежно від нього описаний М. Бейєринком).
Отже, на зміну описовому морфолого-систематичному вивченню мікроорганізмів, що панувало в першій половині XIX ст., прийшло фізіологічне вивчення мікроорганізмів, засноване на точному експерименті. До кінця XIX ст. намітилася диференціація мікробіології на ряд напрямків.
4. Досягнення мікробіологічної науки у ХХ ст. У першій половині ХХ ст. розвиток мікробіології гальмується відставанням біохімії, генетики, біофізики. Водночас інтенсивно продовжувалося виділення та вивчення збудників інфекційних захворювань. Американцем Х.Т. Рикетсом і, незалежно від нього, бразильцем Е. Роха-Лімою та чехом С. Провацеком відкрита група рикетсій (висипний тиф, лихоманка). Пізніше відкриті хламідії, збудники токсоплазмозу. З винайденням у 1934 році Л. Мартоном електронного мікроскопа розвиток науки відбувався значними темпами. Описані фільтруючі віруси і бактерії (поліомієліту, віспи, грипу, паротиту, саркоми курей, бактеріофагів). У 1944 р. в інституті ім. Лістера М. Ітоном виділений збудник атипової пневмонії, що є першим представником нового класу мікроорганізмів – мікоплазм. Французами Ш. Кальметом і К. Гереном отримана вакцина з туберкульозної палички БЦЖ (BCG). Г. Рамоном створені анатоксини для профілактики дифтерії та правця. Окрім того, були розроблені серологічні реакції для діагностики сифілісу (реакція Васермана), черевного тифу і паратифу (реакція Відаля), висипного тифу (реакція Вейля–Фелікса). Ш.Ріше і П.Портьє заклали початок вивченню імунопатологічних реакцій організму (алергія та ін.). Завдяки працям П.Ерліха, А.Флемінга, Г.Флорі, Е.Чейна, З.Ваксмана розвивається хіміо- й антибіотикотерапія інфекційних захворювань.
У 1944 році О.Евері, К.Мак-Леод, К.Мак-Карті отримали дані про роль ДНК як матеріального носія спадковості пневмококів, у 1953 р. – Крік і Уотсон описали структуру ДНК. А. Клюйвер і його учні (одним із них був Д. ван Ніль) провели порівняльні біохімічні дослідження у відносно віддалених один від одного фізіологічних групах мікроорганізмів. Було вивчено багато форм мікроорганізмів і приблизно до середини 50-х рр. сформульована теорія біохімічної єдності життя. Вона ґрунтується на єдності конструктивних, енергетичних процесів і механізмів передачі генетичної інформації: всі живі організми побудовані з однотипних хімічних макромолекул, універсальною одиницею біологічної енергії слугує АТФ, в основі фізіологічної різноманітності живих істот знаходиться кілька основних метаболічних шляхів. У 1955 році Г.Френкель-Конрат показав, що молекули вірусу тютюнової мозаїки спонтанно об’єднуються один з одним, утворюючи впорядковані структури. У 1959 р. А.Коренерг і М.Гуліан отримали штучну вірусну ДНК. Велике значення мали дослідження француза А.Львова, який у 1953 році показав інтеграцію вірусних нуклеїнових кислот у бактеріальний геном. У 1982 році Р.Галло виділив Т-лімфотропний вірус, у 1983 р., незалежно від Л. Монтеньє – вірус СНІДу. Інтенсивно розвивається імунологія: ідентифіковані Т-, В-лімфоцити, імуноглобуліни, вроджені імунодефіцити, сформована клонально-селективна теорія Бернета.
ОСОБЛИВОСТІ ОРГАНІЗАЦІЇ ПРОКАРІОТ . 1. Розміри та форма мікроорганізмів. Як свідчить сама назва, об’єкти, що належать до мікроорганізмів, відрізняються надзвичайно малими розмірами. Величина найбільших представників мікросвіту – 100 мкм (деякі діатомові водорості, вищі протисти). Найбільшою вважають бактерію Epulopiscium fishelsoni, що є симбіонтом травного тракту хірургової риби Червоного моря. На порядок нижчий розмір властивий одноклітинним зеленим водоростям і клітинам дріжджів, ще менші розміри характерні для більшості бактерій – 0,5-3 мкм (проте клітини нитчастої сіркобактерії Beggiatoa alba мають діаметр до 50 мкм; Achromatium охaliferum має в довжину 15-100 мкм, довжина клітини спірохети може сягати 250 мкм).
Найдрібніші з відомих прокаріотичних клітин (і взагалі живих істот) – бактерії, що належать до групи мікоплазм. У їх клітинах діаметром 0,1-0,15 мкм може міститися 1200 молекул білка і здійснюватися 100 ферментативних реакцій (тобто мінімум, необхідний для підтримки клітинної структури і забезпечення клітинного метаболізму).
Оскільки в 70-х рр. ХХ ст. відкриті специфічні прокаріоти, що відрізняються унікальністю макромолекул і біохімічних процесів (архебактерії), типові прокаріоти отримали назву еубактерій (істинних бактерій).
Переважна більшість прокаріот має форму кулі, циліндра або спіралі (рис. 1).
Кулясті бактерії – коки (Coccus). Напрям площини поділу клітини й характер взаємного розміщення клітин використовують як систематичну ознаку при виділенні родів кулястих бактерій (моно- або мікрококи, диплококи, стрептококи, тетракоки, сарцини, стафілококи). Окрім правильної кулястої форми, клітини можуть мати овальну або ланцетоподібну форми (пневмококи), бобоподібну, форму кофейного зерна (гонококи, менінгококи). Кулясті бактерії, як правило, не мають джгутиків, нерухомі та спор не утворюють (виняток – сечова сарцина).
Паличкоподібні бактерії – це найбільш численна й різноманітна група бактерій, що розрізняються за величиною клітин, їх розміщенням, обрисом кінців клітини, за наявністю або відсутністю джгутиків. Довжина клітин паличкоподібних бактерій коливається від десятих часток мікрометра до 10-15 мкм, діаметр клітини — 0,5-1,0 мкм. Розрізняють паличкоподібні мікроорганізми, які не утворюють спор — бактерії (Bacterium) і паличкоподібні бактерії, здатні за несприятливих умов формувати спори – бацили або клостридії (Bacillus, Clostridium).
Скручені бактерії залежно від форми та кількості завитків поділяють на три типи: вібріони, спірили, спірохети.
Рідкісні форми бактерій подібні до нирки людини, мають шестикутний вигляд, форму розірваного кільця, нитчасті, розгалужені.
Актиноміцети подібні до грибів. Їх клітини довгі, тонкі, розростаються у вигляді міцелію.
Для багатьох бактерій характерний плеоморфізм (див. презентацію).
Структури, розташовані зовні від ЦПМ (клітинна стінка, капсула, слизистий чохол, джгутики, ворсинки), звичайно називають поверхневими структурами. Терміном „клітинна оболонка” часто позначають усі шари, розташовані із зовнішнього боку від ЦПМ (клітинна стінка, капсула, слизистий чохол). ЦПМ разом з цитоплазмою називається протопластом.
2. Особливості клітинної стінки бактерій. Клітинна стінка – важливий і обов’язковий структурний елемент переважної більшості прокаріотичних клітин, розташований під капсулою або слизистим чохлом або ж безпосередньо контактуючий із навколишнім середовищем. На частку клітинної стінки припадає 5-50% сухої речовини клітини. Клітинна стінка виконує різноманітні функції: слугує механічним бар’єром між протопластом і зовнішнім середовищем; надає клітинам певної форми; створює можливість існування бактерій у гіпотонічних розчинах.
За будовою та хімічним складом клітинна стінка прокаріот кардинально відрізняється від еукаріотичної. До її складу входять специфічні полімерні комплекси, які не містяться в інших клітинних структурах. Хімічний склад і будова клітинної стінки постійні для певного виду бактерій, це важлива діагностична ознака. Залежно від будови клітинної стінки прокаріоти поділяються на дві великі групи. Якщо фіксовані клітини еубактерій обробити спочатку кристалічним фіолетовим, а потім йодом, утворюється забарвлений комплекс (запропонований спосіб у 1884 р. датським ученим Х. Грамом). При подальшій обробці спиртом, залежно від будови клітинної стінки, доля комплексу різна: в так званих грампозитивних видів (Гр+) цей комплекс утримується клітиною й останні залишаються забарвленими; у грамнегативних видів (Гр-), навпаки, забарвлений комплекс вимивається і клітини знебарвлюються. З’ясовано, що забарвлений комплекс утворюється на протопласті, але його утримування або вимивання при подальшій обробці спиртом визначаються особливостями будови клітинної стінки.
Клітинні стінки грампозитивних і грамнегативних еубактерій кардинально відрізняються як за хімічним складом, так і за ультраструктурою.
Під електронним мікроскопом клітинна стінка грампозитивних еубактерій виглядає як гомогенний електронно-щільний шар, товщина якого коливається, для різних видів, від 20 до 80 нм (30-70% сухої маси клітинної стінки). Основну масу клітинної стінки Гр+ складає специфічний гетерополімер – пептидоглікан. Полісахаридний остів молекули побудований із залишків N-ацетилглюкозаміну і N-ацетилмурамової кислоти, сполучених 1,4–β-глікозидними зв’язками. До N-ацетилмурамової кислоти приєднаний короткий пептид із 4-5 амінокислот. Для Гр+ характерно більше 100 різних хімічних типів пептидоглікану. Більшість відмінностей стосується пептидної частини його молекули. Дві особливості пептидного хвоста заслуговують уваги: наявність амінокислот у D-формі та високий зміст амінокислот із двома аміногрупами (наприклад, амінокислота, яка не зустрічається в білках, – мезодиамінопімелінова). Це має принципове значення для просторової організації пептидоглікану. Обидві аміногрупи цих амінокислот можуть брати участь в утворенні пептидних зв’язків, причому другі аміногрупи – у формуванні додаткових пептидних зв’язків між гетерополімерними ланцюгами (рис. 2). У більшості випадків в утворенні пептидного зв’язку бере участь карбоксильна група D-аланіну одного тетрапептиду і вільна аміногрупа диамінокислоти іншого. Іноді зв’язок між тетрапептидами різних гліканових ланцюгів здійснюється за допомогою інших амінокислот (наприкюлад, гліцинових містків). Таким способом можна з’єднати безліч гетерополімерних ланцюгів. Проте не всі пептидні хвости беруть участь у формуванні міжланцюгових зв’язків – деякі утворюють ковалентні зв’язки з іншими молекулами, що входять до складу клітинної стінки, а частина – знаходиться у вільному стані.
Окрім пептидоглікану, до складу клітинних стінок Гр+ входить інший унікальний клас хімічних сполук – тейхоєві та ліпотейхоєві кислоти. Це полімери, побудовані на основі рибітолу (п’ятиатомного спирту) або гліцеролу (триатомного спирту), залишки яких сполучені між собою фосфодиефірними зв’язками. Деякі вільні гідроксильні групи в молекулах спиртів можуть бути заміщені залишками D-аланіну, глюкози, N-ацетилглюкозаміну і деяких інших цукрів. Тейхоєві кислоти ковалентно можуть з’єднуватися з N-ацетилмурамовою кислотою. Оскільки це довгі лінійні молекули, вони можуть пронизувати весь пептидоглікановий шар, досягаючи зовнішньої поверхні клітинної стінки. В цьому випадку, ймовірно, це основні антигени Гр+ бактерій. Вільні гідроксили фосфорної кислоти надають тейхоєвій кислоті властивостей поліаніона. Як поліаніони, тейхоєві кислоти визначають поверхневий заряд клітини.
Цукрові компоненти тейхоєвих кислот входять до складу рецепторів для деяких бактеріофагів і визначають можливість адсорбції фага на клітинній поверхні.
У складі клітинної стінки Гр+ у невеликих кількостях також наявні полісахариди, білки і ліпіди.
Біосинтез пептидоглікану містить 3 етапи:
1. Утворення в цитоплазмі пентапептиду мурамової кислоти. Синтез розпочинається з утворення N-ацетилглюкозамін-1-фосфату, далі формується лактиловий ефір, до якого приєднується 5 амінокислот. Під час процесу молекула залишається зв’язаною з уридиндифосфатом (УДФ).
2. Зв’язування пентапептиду мурамової кислоти з N-ацетилглюкозаміном і приєднання 5 залишків гліцину на плазмолемі. Для цього гідрофільна молекула змінюється на ліофільну через заміну УДФ на С55-поліізопреноїд – ундекапренілфосфат. Останній переносить готовий компонент клітинної стінки через плазмолему.
3. Вбудовування компонента клітинної стінки в пептидоглікановий скелет і формування пептидних зв’язків. Реакції транспептидування передбачають розщеплення зв’язку між двома залишками D-аланіну. Вивільнена карбоксильна група зв’язується з аміногрупою лізину іншого олігопептиду, а кінцевий D-аланін звільняється. Ундекапренілдифосфат гідролізується. Продукт може використовуватися в наступному циклі, причому слугує переносником ще й інших полімерів, розміщених поза плазмолемою – полісахаридів, ліпополісахаридів, целюлози.
Для грамнегативних еубактерій характерна багатошарова клітинна стінка. Внутрішній електронно-щільний шар товщиною 2-3 нм складається з пептидоглікану. Зовні до нього прилягає, як правило, хвилястий шар (8-10 нм) – зовнішня мембрана. Клітинна стінка грамнегативних еубактерій нещільно прилягає до ЦПМ, вони розділені електронно-прозорим шаром. Простір між цитоплазматичною та зовнішньою мембранами отримав назву периплазматичного (міжмембранного).
До складу клітинної стінки Гр- бактерій входить набагато більше різних макромолекул. Пептидоглікан утворює тільки внутрішній шар клітинної стінки, нещільно прилягаючи до ЦПМ (10% сухої маси клітинної стінки). У більшості видів він утворює одно- або двошарову структуру, що характеризується окремими поперечними зв’язками між гетерополімерними ланцюгами. Хімічна структура пептидоглікану Гр- в основному схожа зі структурою типового пептидоглікану Гр+, однак відсутні тейхоєві кислоти і немає гліцинових містків.
Зовні від пептидоглікану розташовується додатковий шар клітинної стінки – зовнішня мембрана. Вона складається з фосфоліпідів, типових для елементарних мембран, білків, ліпопротеїну і ліпополісахариду. Специфічний компонент зовнішньої мембрани – ліпополісахарид (ЛПС) складної молекулярної будови, що займає близько 30-40% її поверхні та локалізований у зовнішньому шарі. Структура ЛПС Salmonella typhimurium та інших ентеробактерій детально вивчена. У молекулі розрізняють три зони: ліпід А, серцевинну і О-специфічний боковий ланцюг. Ліпід А містить глюкозаміндисахарид, до гідроксигруп якого приєднані ефірними зв’язками жирні кислоти (лауринова, міристинова, 3-гідрокси-міристинова) і пірофосфатні групи. Ця частина молекули володіє гідрофобними властивостями. Далі, до зовнішнього напрямку знаходиться R-серцевинна зона, що включає трисахарид із трьох залишків 2-кето-3-дезоксиоктонової кислоти (КДО), пов’язаний з фосфоетаноламіном, дві молекули гептози. Зовнішня серцевинна частина складається з розгалуженого ланцюга, що містить глюкозу, галактозу, N-ацетилглюкозамін. Ця частина однакова для усіх сальмолем, різниця виявлена лише в мутантних форм. Детермінантна ланка або О-специфічний боковий ланцюг відрізняється для різних видів бактерій і складається з варіабельної кількості груп, представлених галактозою, манозою, рамнозою, фукозою, абеквозою, колітозою, тивелозою. Саме ця частина представляє О-антигени і виявляється за допомогою імунохімічних методів.
Білки зовнішньої мембрани поділяють на:
- основні – представлені невеликою різноманітністю білків, складають 80% усіх білків зовнішньої мембрани. Окремі (порини) формують у мембрані гідрофільні пори діаметром 1 нм, через які здійснюється неспецифічна дифузія моно- й олігоцукрів, амінокислот, пептидів;
- мінорні – велика кількість видів. Здійснюють транспортну і рецепторну функції.
У периплазматичному просторі, заповненому гідролітичними ферментами (рибонуклеазою І, фосфатазою, β-лактамазою) здійснюється розщеплення поживних та токсичних речовин.
Незвичайні клітинні стінки прокаріот. Для ковзаючих бактерій (міксобактерії, флексибактерії), які здатні у процесі руху змінювати форму клітин, характерна надзвичайно низька зшитість пептидогліканового компонента клітинної стінки (Гр- бактерії).
У мікобактерій, нокардій, коринебактерій 30% речовини клітинної стінки приходять на ліпіди. У деяких мікобактерій виявлені воски (тетрасахариди пептидоглікану, приєднані до етерифікованого арабіногалактану). У інших виявлені міколові кислоти – високомолекулярні 3-гідроксикислоти з довгим алкільним боковим ланцюгом біля С2-атома.
Для архебактерій характерні 5 морфологічних типів клітинної стінки:
- електронно-щільний шар із псевдомуреїну (сульфатованого чи несульфатованого кислого гетерополісахариду) – Гр+;
- псевдомуреїн пов’язаний з білком – Гр+;
- поверхневий моношар із білкових чи глікопротеїнових субодиниць – Гр- галофіли, метаногени, термоацидофіли;
- кожна з кількох клітин оточена білковим шаром і втримуються разом білковим чохлом;
- клітинна стінка відсутня.
Прокаріоти без клітинної стінки. За дії певних хімічних речовин можна отримати форми з частково (сферопласти) або повністю (протопласти) відсутньою клітинною стінкою. Вперше це виявили за дії на бактеріальні клітки лізоциму, ферменту з групи глікозидаз, що міститься в яєчному білку, слізній рідині. Лізоцим розриває зв’язки в гетерополісахаридному ланцюзі. Отримані під дією лізоциму сферопласти (з Гр-) або протопласти (з Гр+) мають сферичну форму і дуже чутливі до зовнішнього осмотичного тиску. Існувати вони можуть, лише коли осмотичний тиск поживного середовища збалансований з осмотичним тиском усередині клітини. За сприятливих умов сферопласти і протопласти проявляють певну метаболічну активність, але втрачають здатність до розмноження.
Прокаріоти, що не містять клітинної стінки, виявлені і в природі. Це група мікоплазм, сапрофітів і внутрішньоклітинних паразитів рослин, тварин і людини. Схожі на мікоплазми форми отримані вперше в англійському інституті ім. Д.Лістера за дії пеніциліну, лізоциму. Це так звані L-форми, вони сферичні, морфологічно невідмінні, незалежно від форми вихідної клітини. За сприятливих умов вони володіють метаболічною активністю та можуть розмножуватися. L-форми можуть виникати в природних умовах в організмі людини під час тривалого лікування окремими антибіотиками (найчастіше – пеніциліном). Розрізняють нестабільні та стабільні L-форми. Перші здатні до реверсії у вихідний вид за усунення причини, що викликала їх утворення. L-форми різних бактерій відіграють значну роль у патогенезі багатьох інфекційних захворювань. Припускають, що мікоплазми утворилися в результаті мутації, що порушила синтез речовин клітинної стінки від звичайних бактерійних форм аналогічно тому, як в екс
4. Поверхневі слизисті шари. Зовні клітинна стінка прокаріот часто оточена слизовою речовиною. Такі утворення, залежно від структурних особливостей, отримали назву капсул, слизистих шарів або чохлів. Усі вони – результат біосинтезу прокаріотами органічних полімерів і відкладення їх навколо клітин.
Під капсулою розуміють слизисте утворення, що має аморфну будову й обволікає клітину, зберігаючи зв’язок із клітинною стінкою. Якщо товщина утворення менша 0,2 мкм і побачити його можна тільки за допомогою електронного мікроскопа, говорять про мікро- капсулу, якщо більше 0,2 мкм – про макрокапсулу. Останню можна спостерігати у звичайний світловий мікроскоп. Для цього препарат готують у краплині туші, яка не у змозі проникнути в капсулу. На темному фоні виділяються клітини, оточені світлими зонами. Макрокапсулу утворюють деякі патогенні бактерії (пневмококи) за несприятливих умов, наприклад в організмі людей і тварин, або ж вона наявна постійно (Klebsiella pneumoniae). У більшості видів капсула складається з полісахаридів, які, крім глюкози, містять аміноцукри, рамному, 2-кето-3-дезоксигалактонову кислоту, уронові кислоти, органічні кислоти (піровиноградна, оцтова). Капсули деяких видів Bacillus складаються з поліпептидів, насамперед із поліглутамінової кислоти.
Слизисті шари мають аморфний, безструктурний вигляд і легко відділяються від поверхні прокаріотичної клітини. Сильне виділення слизу спостерігається за наявності в середовищі сахарози (наприклад, Leuconostoc mesenteroides утворює декстрин, стрептококи, які викликають карієс (Streptococcus mutans, S. salivarius) – левани, що слугують матриксом для кислих продуктів бродіння).
На відміну від капсул, чохли мають тонку структуру. Нерідко в них знаходять кілька шарів із різною будовою. Чохли ряду бактерій, метаболізм яких пов’язаний з окисленням відновлених сполук металів, часто інкрустовані їх оксидами (Sphaerotilus natans). Між цими структурами у прокаріот знайдено багато перехідних форм, так що іноді не можна чітко відмежовувати капсулу від слизистих клітинних виділень або капсулу від чохла.
Наявність капсули залежить від штаму мікроорганізму й умов його культивування. Бактерії, що утворюють капсулу, можуть легко в результаті мутації перетворюватися на безкапсульні форми, що не приводить до порушення клітинної активності. Хоча капсули, слизисті речовини і чохли необов’язкові структури прокаріотичної клітини, вони виконують певні корисні функції: захисну (від механічних пошкоджень, висихання, створюють додатковий осмотичний бар’єр, слугують перешкодою для проникнення фагів), адгезивну (зумовлюють „прилипання” до поверхні – окремі стрептококи до емалі зубів, серцевих клапанів чи рецепторів клітин господаря або зв’язок між сусідніми клітинами в колонії), запасаючу (для поживних речовин). У біосинтезі екзополісахаридів розрізняють дві особливості: левани і декстрини синтезуються позаклітинними ферментами з дицукрів, а більшість екзополісахаридів – за механізмом, схожим з утворенням пептидоглікану. Здатність певних бактерій синтезувати позаклітинні полімери використовується у практиці: для отримання замінників плазми крові, синтетичних плівок, добавок до напоїв, кремів, морозива і т.п.
5. Джгутики і механізм руху. На клітинній поверхні багатьох прокаріот містяться структури, що визначають здатність клітини до руху в рідкому середовищі – джгутики. Їх кількість, розміри, розташування, як правило, – ознаки, постійні для певного виду, і тому враховуються при систематиці прокаріот.
Якщо джгутики знаходяться біля полюсів або в полярній ділянці клітини, говорять про їх полярне або субполярне розташування, якщо вздовж бічної поверхні, – про латеральне. Залежно від кількості джгутиків та їх локалізації на поверхні клітини розрізняють монополярні монотрихи, монополярні політрихи, біполярні політрихи і перитрихи (рис.3). В останньому випадку кількість джгутиків може досягати 1000 на клітину. Монополярне-політрихальне розміщення джгутиків називають лофотрихальним (Pseudomonas, Chromatium), а біполярно-політрихальне – амфітрихальним (Spirillum).
Звичайна товщина джгутика – 10-20 нм, довжина – 3-15 мкм. У деяких бактерій довжина джгутика може на порядок перевищувати діаметр клітини. Як правило, полярні джгутики товщі, ніж перитрихіальні. Джгутик – відносно жорстка спіраль, звичайно закручена проти годинникової стрілки. Обертання джгутика також здійснюється проти годинникової стрілки з частотою від 40 до 60 об/с, що викликає обертання клітини, але у протилежному напрямі. Оскільки клітина набагато масивніша за джгутик, вона обертається зі значно меншою швидкістю – 12-14 об/хв. Обертальний рух джгутика перетвориться також у поступальний рух клітини, швидкість якого в рідкому середовищі для різних видів бактерій складає від 16 до 100 мкм/с.
Вивчення будови джгутика під електронним мікроскопом показало, що він складається з трьох частин. Основну масу джгутика складає довга спіральна нитка, біля поверхні клітинної стінки вона переходить у потовщену зігнену структуру – гачок, що прикріплений до базального тільця, вмонтованого в ЦПМ і клітинну стінку.
У більшості прокаріот нитка складається тільки з одного типу білка – флагеліну. Білкові субодиниці розміщуються у вигляді спіралі, всередині якої проходить порожнистий канал. Нарощування джгутика відбувається з дистального кінця, куди субодиниці надходять внутрішнім каналом. У деяких видів джгутик ззовні додатково покритий чохлом особливої хімічної будови або є продовженням клітинної стінки. Гачок (товщина 20-45 нм) складається з білка, відмінного від флагеліну, і слугує для забезпечення гнучкого з’єднання нитки з базальним тільцем. Базальне тільце містить 9-12 різних білків, це система із двох або чотирьох кілець. Два внутрішніх кільця (M і S) – обов’язкові складові частини, тоді як зовнішні кільця (Р і L) відсутні у Гр+. M-кільце локалізоване у ЦПМ, S-кільце розташовується в периплазматичному просторі Гр- або в пептидоглікановому мішку Гр+. Кільця Р і L, що є тільки у Гр-, локалізовані відповідно в пептидоглікановому шарі та в зовнішній мембрані. Отже, особливості будови базального тільця визначаються будовою клітинної стінки. Обробка лізоцимом, що приводить до видалення пептидогліканового шару клітинної стінки, викликає і втрату здатності бактерій до руху, хоча джгутики залишаються при цьому непошкодженими (рис. 4).
Припускають, що обертання джгутика визначається обертанням M-кільця. Інші кільця базального тільця нерухомі та слугують для прикріплення стержня, що проходить через клітинну стінку Гр- еубактерій. У Гр+ цю функцію в основному виконує багатошаровий жорсткий пептидоглікановий мішок.
Якщо в клітині багато джгутиків, то всі вони під час збираються в пучок, обертаючися в одному напрямі. Обертання джгутиків передається клітині, що починає обертатися у протилежному напрямі, і забезпечує ефективний рух (плавання) в рідкому середовищі та повільніше переміщення поверхнею твердих середовищ. Рух джгутикових прокаріот забезпечується енергією трансмембранного електрохімічного потенціалу, що перетворюється в механічну.
За рух спірохет відповідають структури незвичної локалізації. Тришарова структура, що оточує клітину, – зовнішній чохол, аналогічна зовнішній мембрані клітинної стінки Гр-. Цей чохол оточує так званий протоплазматичний циліндр (пептидоглікановий шар клітинної стінки, ЦПМ і цитоплазматичний вміст), що обвивається пучком нитчастих структур – аксіальних фібрил (2-100). Один кінець кожного аксіального волокна прикріплений поблизу полюса протоплазматичного циліндра, другий – вільний. Клітина містить по два набори фібрил, прикріплених субполярно біля кожного клітинного кінця. Оскільки кожне аксіальне волокно витягується майже вздовж усієї довжини клітини, пучки фібрил різних полюсів у центральній частині перекриваються. Вивчення будови і хімічного складу аксіальних фібрил спірохет показало їх схожість зі джгутиками, однак аксіальні волокна спірохет – внутрішньоклітинні структури. Рух спірохет здійснюється за рахунок обертання фібрил у периплазматичному просторі між пептидоглікановим шаром і зовнішньою мембраною клітинної стінки, що викликає еластичну хвилю на поверхні клітинної стінки. Спірохети здійснюють рухи трьох типів: швидко обертаються навкруги довгої осі спіралі, здатні до згинання клітин і здійснюють пересування гвинто- чи хвилеподібним шляхом.
Для мікоплазм, міксобактерій, цитофаг, нитчастих сіркобактерій, ціанобактерій характерний ковзаючий рух (без допомоги джгутиків). Швидкість цього типу руху невелика: 2-11 мкм/с. Загальна властивість усіх ковзаючих організмів – здатність до виділення слизу. Крім того, в ряді ковзаючих форм у складі клітинної стінки між пептидоглікановим шаром і зовнішньою мембраною виявлений тонкий шар, що складається з білкових фібрил.
Існує кілька гіпотез механізму ковзаючого руху:
• Згідно з гіпотезою реактивного руху, він зумовлений виділенням слизу через численні слизові пори в клітинній стінці. Клітина відштовхується від субстрату в напрямку, протилежному напрямку виділення слизу.
• Ковзаючий рух пов’язаний з особливостями будови клітинної стінки рухомих безджгутикових форм, а саме наявністю білкового шару. Обертальний рух фібрил приводить до появи на поверхні клітин „хвилі”, тобто мікроскопічних випинань клітинної стінки, внаслідок чого клітина відштовхується від твердого чи в’язкого субстрату.
Рухомі бактерії активно переміщуються в напрямку, визначеному тими або іншими зовнішніми чинниками. Такі направлені переміщення бактерій називають таксисами. Залежно від чинника розрізняють хемотаксис (окремий випадок – аеротаксис), фототаксис, магнітотаксис, термотаксис і віскозотаксис. За чутливість до хімічного стимулу і за реагування на нього відповідають хеморецетори. Причому для перитрихів характерні 2 типи руху: прямолінійний та перевертання. У напрямку атрактантів переважає перший тип, щодо репелентів – другий. Фототаксис характерний для фототрофних бактерій. Здатність переміщуватися за силовими лініями магнітного поля Землі або магніта – магнітотаксис – властива бактеріям, що живуть у прісній і морській воді. В клітинах цих бактерій містяться магнітосоми, заповнені залізом у формі магнетиту (Fe3O4). На частку магнетиту може припадати до 0,4% сухої речовини бактерій. У північній півкулі такі магніточутливі бактерії пливуть у напрямі північного полюса Землі, в південному — південного. Для ряду бактерій властивий віскозитаксис – здатність реагувати на зміну в’язкості розчину й переміщуватися в напрямку її збільшення або зменшення.
Широко поширені випадки хемо-, термо- та інших видів тропізмів. Найбільш досліджені випадки хемотаксису у бактерій та інших одноклітинних мікроорганізмів. Способом, демонструючим явище хемотаксису у бактерій, є фотографування: в результаті простої зйомки видно, як хмара бактерій збираєтся протягом декількох хвилин у кінчика мікропіпетки, яка містить высокі концентрації поживних речовин, наприклад цукрів и амінокислот. Такі речовини отримали назву аттрактанти (від англ. attract -- приваблювати). При подачі через ту ж мікропіпетку шкідливих репелентів (від англ. repel -- відганяти, відштовхувати) хмара бактерій так само швидко розсіюється.
Вперше на це явище ще в 90-х роках минулого століття звернули увагу німецькі науковці. Теодор Енгельманн виявив, що в водних мікроскопічних препаратах можна бачити, як деякі бактерії згуртовуються навколо бульбашок повітря, які потрапили під покривне скло, тоді як інші від цих бульбашок втікають. В першому випадку бактерії потребували молекулярного кисню, а у другому він був для них шкідливим. Це явище отримало назву аеротаксису. Вільгельм Пфеффер поміщав в воду, у якій були бактерії, капіляр, наповнений розчином різноманітних речовин. Іноді бактерії збирались біля закінчення капіляра і навіть набивались всередину. Це хемотаксис. У дослідах Пфеффера бактерій приваблювали цукри чи пептон - речовини, які вони використовують як їжу. Однак уже Пфеффер показав відносність цілесонаправленості хемотаксису: він поміщав в капіляр с пептоном сулему - яд, котрий бактерії не помічали і, набиваючись в капіляр, умирали. Після описаних спостережень мікробіологи на довгі роки втратили інтерес до вивчення поведінки бактерій, можливо, тому, що в той час не було адекватних методів вивчення цього явища.
Тільки в 60-х роках нашого століття американський учений Юліус Адлер в університеті штату Вісконсин продовжив дослідження хемотаксису бактерій, уже, звичайно, на зовсім іншому методичному рівні. Зразу ж були виявлені цікаві явища, і дослідження поведінки бактерій почали розвиватися лавинообразно. Зараз у цій області накоплений величезний матеріал, пояснюючий спостерігаємі явища з позицій біофізики, молекулярної біології и молекулярної генетики.
Крім хемотаксису бактерії можуть проявляти і інші поведінкові реакції. Це перш за все фототаксис, характерний для бактерій, використовуючих світло в якості джерела энергії. Для деяких патогенних (хвороботворних) бактерій велике значення має здатність до віскозитаксису - бактерії біжать до середовища з більшою в'язкістю, існує і термотаксис - рух в сторону підвищення чи пониження температури.
Особливо здатність деяких бактерій плити вдовж ліній магнітного поля- магнетотаксис. В клітинах таких бактерій, які називаються магнетобактеріями, знаходяться кристалики залізовмісних мінералів (наприклад, магнетиту), які орієнтуються вздовж ліній магнітного поля як стрілка компаса. Залізо складає біля 3% сухої маси магнетобактерий. Це водні бактерії, які мешкають в прісних водоймах і морі. Вони пливуть по лініям магнітного поля Землі, причому в північній півкулі до північного полюсу, а в південній півкулі до південного. Це може здатися дивним, річ у тому, що, пливучи таким чином, бактерії углибляються в воду в результаті того, що їх магнітосоми орієнтуються по результуючій вертикальній і горизонтальній складовим магнітного поля. Чим ближче до півночі, тим круче вони уходять в воду і потрапляють на поверхню ілу, де, очевидно, більше їжі. Крім того, магнетобактерії краще себепочувають при незначному вмісті молекулярного кисню, що як раз і спостерігається в поверхневих слоях ілу. Бактерії, видимо, неспроможні до гравітаксису і тольки вживання ліній магнітного поля Землі дає їм можливість розрізняти верх и низ.
6. Ворсинки. До поверхневих структур бактеріальної клітини належать також ворсинки (фімбрії, пілі). Їх налічується від кількох одиниць до кількох тисяч на клітину. Ці структури не виконують локомоторну функцію. Ворсинки побудовані з одного виду білка – піліну. Вони, як правило, тонші за джгутики (діаметр – 5-10 нм, довжина 0,2–2,0 мкм), розташовані перитрихіально або полярно. За функціональним значенням розрізняють:
- ворсинки загального типу, що надають бактеріям гідрофобних властивостей, забезпечують їх прикріплення до клітин рослин, грибів і неорганічних частин, беруть участь у транспорті метаболітов. Через ворсинки у клітину можуть проникати віруси. Їх кількість складає від кількох сотень до кількох тисяч на клітину. Зауважимо, що адгезія – першочергова стадія будь-якого інфекційного процесу;
- статеві ворсинки, або F-пілі, що беруть участь у статевому процесі бактерій. F-пілі необхідні клітині-донору для забезпечення контакту між нею та реципієнтом, як кон’югаційний тунель, по якому відбувається передача ДНК. Кількість їх у бактерій-донорів обмежена – 1-4 на клітину.
Ворсинки не можна вважати обов’язковою клітинною структурою, оскільки і без них бактерії добре ростуть і розмножуються.
УЛЬТРАСТРУКТУРА БАКТЕРІЙ
1. Особливості хімічного складу та функціонування зовнішньої й внутрішньоцитолазматичних мембран. Цитоплазматична мембрана – обов’язковий структурний елемент будь-якої клітини, порушення цілісності якої приводить до втрати клітиною життєздатності. На частку ЦПМ припадає 8-15% сухої речовини клітини.
ЦПМ – білково-ліпідний комплекс, в якому білки складають 50-75%, ліпіди – 15-45%. Також до складу мембран входить невелика кількість вуглеводів. Головний ліпідний компонент бактеріальних мембран – фосфоліпіди, насамперед похідні 3-фосфогліцеролу. Хоча у прокаріот виявлено безліч різних фосфоліпідів, набір їх значною мірою родо- і навіть видоспецифічний. Широко представлені в бактеріальних мембранах різні гліколіпіди. Стерини відсутні в переважної більшості прокаріот (виняток – мікоплазми). Окрім того, в мембранах прокаріот виявлені каротиноїди, хінони, вуглеводні.
Усі ліпіди еубактерій – похідні гліцеролу – містять один або кілька залишків жирних кислот, склад яких дуже своєрідний. В основному це насичені або мононенасичені С16-С18 жирні кислоти. Поліненасичені жирні кислоти в еубактерій не зустрічаються. Виняток складають ціанобактерії, в різних видів яких виявлені поліненасичені жирні кислоти типу C16:2, C18:2, C18:3, C18:4. Окрім жирних кислот, характерних і для еукаріот, до складу мембранних ліпідів еубактерій входять специфічні циклопропанові жирні кислоти (містять одне або більше тричленних кільця), розгалужені жирні кислоти з 15-17 вуглецевими атомами. Набір жирних кислот у мембранних ліпідах також надзвичайно видоспецифічний. У деяких Гр+ C15-жирна кислота з розгалуженим ланцюгом може складати до 90% усіх жирних кислот ліпідів. Головна функція мембранних ліпідів – підтримання механічної стабільності та забезпечення гідрофобних властивостей.
У мембранах архебактерій не виявлені типові для еубактерій ефіри гліцеролу і жирних кислот, натомість наявні ефіри гліцеролу і високомолекулярних С20, С40 спиртів, а також нейтральні ізопреноїдні С20-С30-вуглеводні.
Мембранні ліпіди всіх еубактерій і частини архебактерій утворюють бішари, в яких гідрофільні "головки" молекул повернені назовні, а гідрофобні "хвости" занурені в товщу мембрани. Ліпідний бішар містить переносники електронів – хінони та гопаноїди (похідні тритерпеноїдів, що виконують функцію стабілізаторів бактеріальних мембран). У деяких архебактерій (метаногени, термоацидофіли) мембранні ліпіди, до складу яких входить C40-спирт, формують моношарову мембрану, товщина якої дорівнює бішаровій.
"Рідинна структура" мембран забезпечує певну свободу молекул білків, необхідну для здійснення процесів транспорту електронів і речовин через мембрану. Ця ж властивість зумовлює високу еластичність мембран: вони легко зливаються одна з одною, розтягуються та стискаються.
На частку білків припадає більше половини сухої маси мембран. ЦПМ Escherichia coli містить 27 основних і безліч мінорних білків, але жоден з основних білків не присутній у переважаючих кількостях. За амінокислотним складом мембранні білки не відрізняються від інших клітинних білків, однак містять мало (іноді сліди) цистеїнових залишків. 30-50% білка має конфігурацію α-спіралі, решта – знаходиться у вигляді безладного клубка. Залежно від розташування в мембрані і характеру зв’язку з ліпідним шаром мембранні білки умовно можна розділити на три групи: інтегральні, периферійні та поверхневі. Частина білків бере участь тільки в підтриманні мембранної структури, переважна ж більшість володіє ферментативною активністю.
Вуглеводи здебільшого знаходяться не у вільному стані, а входять до складу гліколіпідів і глікопротеїнів.
Функції ЦПМ прокаріот:
• бар’єрна (виділяють 4 типи транспортних систем, за участю яких відбувається проникнення молекул у клітину: пасивну дифузію (вода), полегшену дифузію (за допомогою транслоказ, гідрофільні речовини), активний транспорт і перенесення хімічно модифікованих речовин (цукри за допомогою фосфотрансферазної системи, що включає фосфоенолпіруват як донор фосфату, протеїнкіназні ферменти ЕІ, ЕІІ, специфічний білок HPr));
• забезпечує кінцеві етапи синтезу мембранних ліпідів, компонентів клітинної стінки та інших речовин (локалізовані відповідні ферменти);
• здійснює перетворення енергії (розташовані комплекси електронтранспортного ланцюга);
• інтегруюча роль в організмі.
У більшості прокаріот клітин ЦПМ – єдина мембрана. У клітинах фототрофних і ряду хемотрофних прокаріот містяться також мембранні структури, розташовані в цитоплазмі (внутрішньо-цитоплазматичні мембрани).
Серед внутрішньоцитоплазматичних мембран виділяють кілька видів. Розвинена система внутрішньоцитоплазматичних мембран характерна для більшості фотосинтезуючих еубактерій. Фотосинтетичні мембрани, на яких локалізований фотосинтетичний апарат клітини, – похідні ЦПМ, що виникли в результаті її розростання та глибокої інвагінації в цитоплазму. Для фототрофів характерні 4 типи внутрішньоцитоплазматичних мембран:
- везикулярні;
- плоскі тилакоїдні;
- великі тилакоїди – стосики;
- нерівномірно розподілені у клітині.
У деяких організмів (пурпурні бактерії) фотосинтетичні мембрани зберегли тісний зв’язок з ЦПМ, що легко виявляється при електронно-мікроскопічному вивченні ультратонких зрізів клітин. Менш очевидний цей зв’язок для ціанобактерій. Одна з версій цього факту свідчить про першочергову появу фотосинтетичних мембран із ЦМП і наступним їх відокремленням.
Внутрішньоцитоплазматичні мембрани фотосинтезуючих еубактерій можуть мати вигляд трубочок, везикул, сплющених дисків (тилакоїдов), утворених двома тісно наближеними мембранними пластинами (ламелами). Система фотосинтетичних мембран дуже пластична. Її морфологія та ступінь розвитку в клітині визначаються багатьма чинниками зовнішнього середовища (інтенсивністю світла, концентрацією кисню, поживних речовин), а також віковими характеристиками культури. Хоча вони й схожі загалом на плазмолему за будовою та хімічним складом, особливість їх структури – наявність пігментів (бактеріохлорофілів, каротиноїдів), компонентів електронтранспортного ланцюга (цитохромів, убіхінону) і фосфорилюючої системи.
У прокаріот різних систематичних груп описані локальні випинання ЦПМ – мезосоми. Добре розвинені та складно організовані мезосоми характерні для Гр+. У Гр- видів вони зустрічаються значно рідше і відносно просто організовані. Мезосоми розрізняються розмірами, формою (ламелярні, везикулярні, тубулярні) і локалізацією (в зоні клітинного поділу і формування поперечної перегородки, до них прикріплений нуклеоїд).
Роль у клітині:
• слугують тільки для посилення певних клітинних функцій, збільшуючи загальну поверхню мембран (наприклад, енергетичного метаболізму, реплікації хромосоми, секреторних процесів);
• виконують структурну функцію, забезпечуючи компартменталізацію прокаріотичної клітини.
Особлива система внутрішньоцитоплазматичних мембран характерна для Гр- азотфіксуючих, нітрифікуючих і метаноокислючих бактерій.
2. Рибосоми. Цитоплазма складається з цитозолю (гомогенної субстанції, що містить розчинні РНК, ферменти, продукти і субстрати метаболічних реакцій) та структурних елементів (внутрішньоцитоплазматичних мембран, генетичного апарату, рибосом, включень).
Рибосоми – рибонуклеопротеїнові частинки розміром 15-20 нм. Кількість їх у клітині залежить від інтенсивності процесів білкового синтезу і коливається від 5000 до 90000. Загальна маса рибосом може складати приблизно 1/4 клітинної маси. Рибосоми прокаріот мають константу седиментації 70S, тому отримали назву 70S-частинок. Вони побудовані з двох неоднакових субодиниць:
- 30S містить одну молекулу 16S рРНК і, в більшості випадків, по одній молекулі білка більше 20 видів;
- 50S складається з двох молекул рРНК (23S і 5S) і більше 30 різних білків, також представлених, як правило, однією копією.
3. У цитоплазмі прокаріот виявляють різноманітні включення, що є:
• активно функціонуючими структурами,
• продуктами клітинного метаболізму, які не виділяються назовні,
• структурами адаптивного значення,
• запасаючими речовинами, відкладення яких відбувається в умовах надлишку поживних речовин у середовищі, а споживання спостерігається в умовах їх дефіциту.
До внутрішньоцитоплазматичних включень, що виконують певну функцію у фотосинтезі, належать хлоросоми зелених бактерій і фікобілісоми ціанобактерій. У цих структурах локалізовані пігменти, що поглинають кванти світла і передають їх у реакційні центри. Хлоросоми мають форму довгастих міхурців завдовжки 90-150 і шириною 25-70 нм, оточених одношаровою електронно-щільною мембраною завтовшки 2-3 нм, побудованої тільки з білка. Вони щільно прилягають до ЦПМ. У хлоросомах локалізовані бактеріохлорофіли с, d або е. Водорозчинні пігменти білкової природи (фікобіліпротеїни) ціанобактерій містяться у фікобілісомах, розташованих правильними рядами на зовнішніх поверхнях фотосинтетичних мембран, і під електронним мікроскопом мають вигляд гранул діаметром 28-55 нм.
У клітинах деяких прокаріот із груп фототрофних і хемолітотрофних (Nitrosomonas, Thiobacillus) еубактерій містяться структури, що мають форму багатогранника з 4-6 сторонами і діаметром 90-500 нм – карбоксисоми, або поліедральні тіла. Заповнені гранулярним вмістом і оточені одношаровою мембраною білкової природи товщиною 3 нм. Карбоксисоми складаються з частинок рибулозодифосфаткарбоксилази, ферменту, що каталізує фіксацію СО2 на рибулозодифосфаті у відновному пентозофосфатному циклі. До теперішнього часу остаточно не з’ясовано, в якій формі знаходиться фермент у карбоксисомах: інертній чи активній. Існують дані, що вказують на можливу роль карбоксисом як захисту ферменту від дії внутрішньоклітинних протеаз.
Прикладом внутрішньоцитоплазматичних включень, що мають адаптивне значення, слугують магнітосоми і газові вакуолі, або аеросоми, виявлені у водних прокаріот. Газові вакуолі характерні для представників 15 таксономічних груп. Це складно організовані структури, що нагадують бджолині стільники. Складаються з безлічі регулярно розташованих міхурців, що мають форму витягненого циліндра із загостреними кінцями (діаметр 65-115, довжина 200-1200 нм). Кожен міхурець оточений одношаровою білковою мембраною завтовшки 2-3 нм, побудованою з одного або двох видів білкових молекул, і заповнений газом, склад якого ідентичний такому навколишнього середовища. Кількість міхурців, що складають аеросому, в різних видів різна і залежить від зовнішніх умов. Основна функція – забезпечення плавучості водних організмів, які за їх допомогою можуть регулювати глибину, вибираючи найсприятливіші умови.
Запасаючі речовини прокаріот представлені полісахаридами, ліпідами, поліпептидами, поліфосфатами, нагромадженнями сірки.
Із полісахаридів у клітинах відкладаються глікоген (Bacillus polіmyxa, Salmonella, Escherichia coli, Micrococcus luteus, Arthrobacter), крохмаль (Acetobacter pasteurianus, Neisseria) і крохмалоподібна речовина – гранульоза (Clostidium). У несприятливих умовах вони використовуються як джерело вуглецю й енергії.
Ліпіди нагромаджуються у вигляді гранул, що різко заломлюють світло й тому добре помітні у світловий мікроскоп. Запасаюча речовина такого типу – полімер β-оксимасляної кислоти. У деяких бактерій, що окислюють вуглеводні, полі-β-оксимасляна кислота складає до 70% сухої речовини клітин. Ліпіди слугують для клітини джерелом вуглецю й енергії. Нейтральні жири (триацилгліцероли) у великих кількостях (80% сухої маси) нагромаджуються у вакуолях дріжджів (Candida, Rhodotorula). Мікобактерії, актиноміцети, нокардії нагромаджують воски і навіть виділяють їх у середовище.
Поліфосфати містяться у волютинових (термін зумовлений видовою назвою бактерії, де вперше виявлені – Spirillum volutans) гранулах (метахроматинових зернах). Використовуються клітинами як джерело фосфору. Поліфосфати містять макроергічні зв’язки, а тому – це депо енергії, хоча вважається, що їх роль у цьому випадку незначна.
Специфічна запасаюча речовина ціанобактерій – ціанофіцинові гранули. Хімічний аналіз показав, що вони складаються з поліпептиду, який містить аргінін і аспартат в еквімолярних кількостях. Для синтезу ціанофіцину необхідні молекули АТФ, іони К+ і Mg2+.
Для прокаріот, метаболізм яких пов’язаний зі сполуками сірки, характерне відкладення в клітинах молекулярної сірки. Сірка нагромаджується, коли в середовищі міститься сірководень, і окислюється до сульфату, коли весь сірководень середовища вичерпується. Для тіонових аеробних бактерій (Beggiatoa, Thiothix, Thiovulum, Achromatium) сірка слугує джерелом енергії, а для анаеробних фотосинтезуючих сіркобактерій (Chromatium) вона – донор електронів.
Кристалоподібні включення білкової природи – протоксини (використовуються як біоінсектициди) – характерні для Bacillus thuringiensis, B. laterosporus, B. medusa.
Усі запасаючі речовини знаходяться в осмотично неактивному стані, в ряді випадків відмежовані від цитоплазми білковою мембраною.
3. Різноманітність бактеріальних включень. Колонії багатьох бактерій і грибів мають яскраве забарвлення, зумовлене або виділенням забарвлених продуктів, або пігментацією клітин мікроорганізмів. Більшість пігментованих видів виявляється в мікрофлорі повітря.
Набір пігментів характерний і постійний для певних груп фотосинтезуючих еубактерій. Усі фотосинтетичні пігменти належать до двох хімічних класів:
1) Пігменти, в основі яких лежить тетрапірольна структура (хлорофіл, фікобіліпротеїни). Відомо більше десяти видів хлорофілів еубактерій, що отримали загальну назву бактеріохлорофілів – а, b, с, d, e, g. Усі вони поглинають світло видимої й інфрачервоної частин спектра (300-1100 нм) та містять подвійні зв’язки. Імовірно, першими фоторецепторами, попередниками сучасних хлорофілів, можна вважати порфірини. Експериментально показана можливість синтезу порфіринів абіогенним шляхом із простих речовин в умовах, що імітують умови первісної Землі. Пурпурні бактерії містять одну форму бактеріохлорофілу: а або b. Невеликі відмінності в хімічній будові приводять до істотних змін у спектральних властивостях цих пігментів. Пурпурні бактерії з бактеріохлорофілом а поглинають світло з довжиною хвилі до 950 нм. У видів, що мають бактеріохлорофіл b, максимум поглинання в червоній частині спектра зсунений у довгохвильову область до 1100 нм. Основні хлорофілові пігменти зелених бактерій – бактеріохлорофіли с, d або e, в незначній кількості міститься бактеріохлорофіл а, які дозволяють зеленим бактеріям використовувати світло з довжиною хвилі до 840 нм. Незвичайний бактеріохлорофіл g із максимумом поглинання 790 нм виявлений у облігатних анаеробних фотосинтезуючих бактерій Heliobacterium chlorum і Heliobacillus mobilis, виділених у групу геліобактерій.
Еубактерії, фотосинтез яких супроводжується виділенням молекулярного кисню (ціанобактерії та прохлорофіти), містять хлорофіли, характерні для фотосинтезуючих еукаріотичних організмів. У ціанобактерій – це хлорофіл а, у клітинах прохлорофітів – хлорофіли а і b. Присутність цих пігментів забезпечує поглинання світла до 750 нм.
Для всіх хлорофілів характерна наявність кількох максимумів поглинання. У клітині спектральні властивості хлорофілів визначаються нековалентними взаємодіями молекул пігменту, а також їх зв’язками з ліпідами і білками фотосинтетичних мембран.
Фікобіліпротеїни – червоні та сині пігменти, що виявлені тільки в одній групі еубактерій – ціанобактеріях (хоча в живому світі зустрічаються також у червоних і криптофітових водоростей). Хромофорна група пігменту – фікобілін, ковалентно пов'язана з водорозчинним білком типу глобуліну, це структура, що складається з чотирьох пірольних кілець, проте не замкнених, як у молекулі хлорофілу, а у вигляді розгорненого ланцюга, що не містить металу. Молекули фікобіліпротеїнів складаються з двох нековалентно зв’язаних неідентичних субодиниць, до кожної з яких ковалентно приєднані хромофорні групи: фікоеритробілін або фікоціанобілін.
Фікобіліпротеїни забезпечують поглинання світла в області 450- 700 нм і з високою ефективністю (більше 90%) передають поглинене світло на хлорофіл, при цьому основна кількість енергії передається на хлорофіл, пов’язаний із фотосистемою-II.
2) Пігменти, основу яких складають довгі поліізопреноїдні ланцюги (каротиноїди).
Більшість каротиноїдів побудована на основі конденсації 8 ізопреноїдних залишків. У деяких каротиноїдів поліізопреноїдний ланцюг відкритий і не містить циклічних угруповань. Такі каротиноїди називаються аліфатичними. Здебільшого на одному або обох кінцях ланцюга розташовано по ароматичному (арильні) або 3-іононовому кільцю (аліцикличні). Виділяють також каротиноїди, що не містять у молекулі кисню, і кисневмісні каротиноїди – ксантофіли.
Найрізноманітніший склад каротиноїдних пігментів у пурпурних бактерій (понад 50 каротиноїдів). У клітинах більшості пурпурних бактерій містяться тільки аліфатичні каротиноїди, багато з яких належить до групи ксантофілів. Деякі пурпурні сіркобактерії містять арильний моноциклічний каротиноїд окенон, а у двох видів несірчаних пурпурних бактерій виявлена невелика кількість 3-каротину, аліциклічного каротиноїду, поширеного в ціанобактерій і фотосинтезуючих еукаріотичних організмів. Набір і кількість окремих каротиноїдів визначають колір пурпурних бактерій (пурпурно-фіолетовий, червоний, рожевий, коричневий, жовтий). Основні каротиноїди зелених сіркобактерій — арильні з 1 або 2 ароматичними кільцями.
Каротиноїдні пігменти поглинають світло довжиною 400-550 нм. Ці пігменти, як і хлорофіл, локалізовані в мембранах і нековалентно зв’язані з мембранними білками. Окрім участі у фотосинтезі, ці пігменти задіяні в рецепції світла при фототаксисі, здійснюють захисну функцію від УФ і токсичних ефектів синглетного кисню.
Серед червоних пігментів дріжджів виділяють пульхеримін, що містить комплексно-зв’язане залізо. Пігмент продігіозин Serratia marcescens містить 3 пірольні кільця. До азахінонів належить індигоїдин – нерозчинний синій пігмент, що виділяється в середовище Pseudomonas indigofera, Corynebacterium insidiosum, Anthrobacter atrocyaneus. Багато пігментів, що виділяються водними бактеріями, належать до похідних феназину – піоціанін, феназин-1-карбонова кислота, оксихлорорафін.
5. Структура генетичного апарату прокаріот.Генетичний матеріал прокаріот, як і еукаріот, представлений ДНК, але існують істотні відмінності в його структурній організації. У прокаріот ДНК – менш компактне утворення, що займає певну ділянку в цитоплазмі та не відокремлене від неї мембраною – нуклеоїдом.
При електронно-мікроскопічному спостереженні видно, що нуклеоїд, незважаючи на відсутність ядерної мембрани, досить чітко відмежований від цитоплазми і займає в ній, як правило, центральну ділянку. Вся генетична інформація прокаріот міститься в одній молекулі ДНК, що має форму ковалентно замкненого кільця й отримала назву бактеріальної хромосоми. Довжина молекули в розгорненому вигляді може складати більше 1 мм, тобто майже в 1000 разів перевищувати довжину клітини (довжина у кишечної палички 3 мкм, а довжини плазміди 1,3 мкм). Лінійні хромосоми виявлені у Streptomyces, Borrelia. Спеціальні дослідження показали, що хромосоми прокаріот – високовпорядкована структура, яка має константу седиментації 1300-2000S для вільної і 3200-7000S для пов'язаної з мембраною форми. В обох випадках частина ДНК у цій структурі представлена системою з 20-100 петель, що незалежно суперспіралізують за участю молекули РНК. ДРК прокаріот щільно упакована і малодоступна для дії ферментів (РНК-полімерази). Тому транскрипція можлива не в основній масі ДНК, а лише на поверхні нуклеоїду.
Хромосоми більшості прокаріот мають молекулярну масу в межах 1-3x109 Да. У групі мікоплазм генетичний матеріал представлений молекулами, що мають найменшу для клітинних організмів кількість ДНК (0,4–0,8x109), а найбільший вміст ДНК виявлений у нитчастих ціанобактерій (8,5x109). Хоча кожна прокаріотична клітина містить 1 хромосому, часто в культурі мікроорганізмів і за дії на них певних чинників кількість ДНК на клітину може складати 3, 4, 8 і більше хромосом.
ДНК прокаріот побудована так само, як і еукаріот. У клітинах більшості прокаріот не виявлено гістонів, тому нейтралізація зарядів здійснюється взаємодією ДНК із поліамінами (сперміном і спермідином), а також з іонами Mg2+. Останнім часом у деяких архебактерій і ціанобактерій виявлені гістони і гістоноподобні білки, пов’язані з ДНК (гістоноподібні білки – HU і HNS). Вміст пар основ А+Т і Г+Ц у молекулі ДНК постійний для цього виду організму і слугує важливою діагностичною ознакою. У прокаріот мольна частка ГЦ у ДНК коливається в дуже широких межах: від 23 до 75%.
Поділ молекули ДНК (реплікація) відбувається за напівконсервативним механізмом і в нормі завжди передує поділу клітини. За допомогою електронного мікроскопа встановлено, що реплікація ДНК починається в точці прикріплення кільцевої хромосоми до ЦПМ, де локалізований ферментативний апарат, відповідальний за реплікацію. Часто контакт ДНК із ЦПМ здійснюється за допомогою мезосом. Реплікація, що почалася в точці прикріплення, йде потім у двох протилежних напрямах, утворюючи характерні для кільцевої хромосоми проміжні структури. Дочірні хромосоми залишаються прикріпленими до мембрани. Реплікація молекул ДНК відбувається паралельно із синтезом мембрани в ділянці контакту ДНК з ЦПМ. Це приводить до розділення дочірніх молекул ДНК і оформлення відособлених хромосом.
Суперспіралізовані петлі, що відповідають неактивним ділянкам ДНК, знаходяться в центрі нуклеоїду. На його периферії розташовуються деспіралізовані ділянки, на яких відбувається синтез інформаційної РНК (іРНК) При цьому, оскільки в бактерій процеси транскрипції та трансляції йдуть одночасно, одна і та ж молекула іРНК може бути пов’язана з ДНК і рибосомами (пряме спряження процесів транскрипції та трансляції – важлива відмінність прокаріот і еукаріот).
У багатьох бактерій виявлені позахромосомні генетичні елементи: плазміди, помірні фаги і мігруючі елементи (транспозони і IS-елементи - insertion sequences). Для плазмід характерне стабільне існування в нехромосомному стані. Транспозони і IS-елементи входять, як правило, до складу хромосом, але здатні переходити з хромосоми у плазміду, тому також можуть бути віднесені до нехромосомних генетичних елементів.
Вивчення позахромосомних генетичних елементів показало, що загальний об’єм ДНК, що входить до їх складу, перевищує об’єм геному кожної особини. Вважають, що в бактеріальній хромосомі локалізована генетична інформація, необхідна для існування конкретного виду бактерій у певному діапазоні умов зовнішнього середовища. Особливість генетичної інформації, що міститься в позахромосомних елементах – її необов’язковість для життєдіяльності бактерій. Проте вони розширюють можливості існування бактеріального виду, забезпечують обмін генетичним матеріалом і відіграють певну роль в еволюції прокаріот.
Кількість плазмідної ДНК у клітині складає не більше кількох відсотків від клітинного геному, а кількість плазмід коливається від 1 до 38. Плазміди – це лінійні або кільцеві ковалентно замкнені молекули ДНК, що містять від 1500 до 40000 пар нуклеотидів. Нещодавно виявлені лінійні плазміди у Streptomyces, Borrelia, Rhodococcus – вони мають великі розміри, їх важко відрізнити від хромосоми. Більшість плазмід складаються з трьох груп генів (або модулей):
- ділянки ДНК, відповідальної за автономну реплікацію плазміди;
- системи генів, що забезпечують можливість перенесення плазмід з однієї клітини в іншу;
- генів, що визначають властивості, корисні для клітини-господаря.
Відмінна особливість плазмід – здатність до автономної реплікації, тому мінімальна кількість ДНК, яка може бути названа плазмідою, – це фрагмент, що забезпечує автономну реплікацію плазмідної ДНК у клітині як єдиного цілого.
Про присутність плазмід у бактеріальній клітині свідчить стійкість до окремих лікарських препаратів, синтез речовин антибіотичної природи, здатність до перенесення генів при кон’югації, використовувати деякі цукри або забезпечувати деградацію ряду речовин.
Плазміди виконують 2 функції:
- регуляторну – компенсують порушення ДНК клітини. При інтеграції плазміди до складу пошкодженого бактеріального геному не здатного до реплікації, його функція відновлюється за рахунок плазмідного реплікону;
- кодуючи – внесення у клітину нової інформації.
Відомо більше 20 типів плазмід:
- F – статевий фактор, масою 6х106 Да. Контролює синтез статевих ворсинок. Передається при кон’югації в клітину-реципієнта;
- R – велика кількість, визначають стійкість до лікарських засобів. Передача їх від одних бактерій до інших призвела до широкого розповсюдження серед патогенних й умовно-патогенних бактерій, що ускладнює хіміотерапію. Кодують – str – аміноглікозидаденінтрансферазу, cat – левоміцетинацетил-трансферазу, kan – аміноглікозидфосфотрансферазу (продукти модифікують відповідні антибіотики шляхом аденілюванння, ацетилювання, фосфорилювання), bla – β-лактамазу, tet – порушують проникність мембран. Складають з 2 частин – r і tra-оперон;
- плазміди патогенності – контролюють вірулентні властивості бактерій і токсиноутворення;
- бактеріоциногенні – бактеріоцини вбивають бактерій того ж виду чи близьких – коліцини, пестіцини, вібріоцини, стафілоцини. Існує 25 типів коліцинів – речовин білкової природи, що розрізняються за фізико-хімічними, антигенними властивостями, здатністю адсорбуватися на певних поверхнях бактеріальної клітини, механізмом дії – Col E1 (прототип більшості плазмід, що використовуються в генній інженерії – підвищують проникність мембран), Col E2 (викликають деградацію ДНК), Col E3 (викликають деградацію рРНК);
- плазміди, що кодують ендонуклеази і метилтрансферази – здійснюють захист від фагової інфекції та чужеродної ДНК;
- Ті-плазміда (500 т.п.н.) Agrobacterium tumerfaciens індукує утворення пухлин;
- плазміди біодеградації – несуть інформацію про утилізацію цукрів, білків, найрізноманітніших речовин (псевдомонади утилізують октан, декан, ароматичні вуглеводні, хлоровмісні сполуки), кодують усі ферменти такого шляху деградації або лише частину з них – метабіоз різних мікроорганізмів.
Мігруючі елементи представлені транспозонами і IS-елементами. Це лінійні молекули двониткової ДНК, розміри яких коливаються від 200 до 6000 пар нуклеотидів. Відмінна особливість мігруючих елементів – нездатність до автономної реплікації. Мігруючі елементи можуть вбудовуватися в різні ділянки бактеріальної хромосоми або мігрувати з бактеріальної хромосоми на плазміду; їх реплікація здійснюється під контролем тих же механізмів, що й у відповідної хромосоми або плазміди. IS-елементи містять лише інформацію необхідну для їх перенесення всередину клітини. Транспозони побудовані складніше: в них вміщені деякі гени, що не причетні до процесу транспозиції (наприклад, гени стійкості до антибіотиків, іонів важких металів та інших інгібіторів). Поділяються на 2 класи:
• І-клас – містять на кінцях IS-елементи;
• ІІ-клас – переміщуються за допомогою реплікативного механізму з утворенням проміжного продукту коінтеграту.
6. Зміна генетичного матеріалу. Для вивчення мінливості бактерій доцільно згадати терміни генотип і фенотип. Генотипом, або геномом, називають сукупність усіх генів, властивих певному організму, тобто його генетичну конституцію. Під фенотипом розуміють сукупність ознак, властивих певному організму.
Зміни бактеріальних клітин можна розділити на два типи:
І. Виявляються в переважної більшості особин у популяції під час зміни зовнішніх умов і спостерігаються доти, поки діє чинник, що викликав ці зміни. Такий тип мінливості отримав назву неспадкової, або модифікаційної. Модифікація – зміна, що відбувається на рівні фенотипу і не торкається клітинного генотипу. Реакція клітини на зміну зовнішніх умов приводить до появи нових ознак, властивостей, які не виявлялися в початковій культурі. Модифікація – результат пластичності клітинного метаболізму, що приводить до фенотипічного прояву „мовчазних” генів. Існує кілька типів модифікаційних змін. Найвідоміші адаптивні модифікації, наприклад, адаптація Е. coli до лактози як нового субстрату (1). У ряді бактерій виявлена універсальна адаптивна реакція у відповідь на різні стресові дії (високі та низькі температури, різкий зсув pH), що проявляється в інтенсивному синтезі групи схожих білків – білків теплового чи холодового шоку (2). Синтез бактеріями ферментів деградації та зміни антибіотиків (3), утворення L-форм (4) та S- і R-модифікації – приклади неспадкової мінливості. Адаптивні модифікації розширюють можливості організму до виживання та розмноження в широкому діапазоні умов зовнішнього середовища. Біохімічною основою їх слугує синтез індуцибельних ферментів.
ІІ. Ознаки, які спочатку виникають як рідкісні події в популяції особин (з частотою 1 на 104—1011 клітин). Якщо змінені особини мають перевагу перед незміненими (наприклад, підвищена швидкість росту, інтенсивна життєздатність), вони поступово нагромаджуються в популяції та витісняють початкові особини. Ці зміни передаються з покоління в покоління. Такий тип мінливості отримав назву спадкової. Спадкові зміни можна поділити на зміни, що виникають у результаті мутацій і рекомбінацій генетичного матеріалу.
Стрибкоподібні зміни в генетичному матеріалі клітини, що приводять до появи нових ознак, називаються мутаціями. Спонтанні мутації виникають у популяції особин завжди, часто без видимого впливу на популяцію. Підвищувати частоту мутацій або індукувати їх можуть фізичні, хімічні та біологічні чинники. Мутації, незалежно від того, мають вони спонтанне походження чи індуковані мутагеном, можна поділити на мутації, що полягають у зміні одного нуклеотиду (точкові мутації) і мутації, при яких спостерігається зміна ділянки молекули ДНК розміром більше одного нуклеотиду.
У результаті рекомбінації генетичного матеріалу відбувається часткове об’єднання геномів двох кліток. Відомі три основні способи, що приводять до рекомбінації генетичного матеріалу прокаріот:
І) При кон’югації, для якої необхідний безпосередній контакт між бактеріальними клітинами, здійснюється направлене перенесення генетичного матеріалу від клітини-донора в клітину-реципієнта. Як правило, в клітину-реципієнта переноситься тільки частина генетичного матеріалу донора, внаслідок чого утворюється неповна зигота, або мерозигота з частиною геному донора і повним геномом реципієнта. Ділянки перенесеної від донора ДНК знаходять гомологічні ділянки в молекулі ДНК реципієнта, між якими відбувається генетичний обмін. Процес виявлений Д.Ледербергом і Е.Тейтумом у 1946 р. під час дослідженні E. сoli. Звичайно клітини E. сoli синтезують усі необхідні їм амінокислоти, якщо в середовищі міститься достатньо глюкози і неорганічних солей. Експерименти проводили з двома групами мутантних штамів (утворилися за дії УФ): мутантами, не здатними синтезувати біотин і метіонін і мутантами, не здатними синтезувати треонін і лейцин. При цьому використовували поживне середовище, що не містило жодного з означених факторів росту. У середовище вносили по 10 клітин кожного штаму. Отримано кілька сотень колоній, в яких були всі гени, необхідні для утворення 4-х факторів. Донорська здатність клітин визначається генами, що знаходяться в невеликій кільцевій молекулі ДНК, яку називають статевим фактором – F-фактором (плазміда). Вони кодують білок специфічних F-пілей. F-пілі полегшують контакт клітин одна з одною. При кон’югації один із ланцюгів ДНК F-фактору може проникати через статеву фімбрію з клітини-донора (F+) у клітину-реципієнт (F-). У клітині-донорі зберігається F-фактор, який реплікується в ній, поки у клітині-реципієнті синтезується її власна копія. Так поступово вся популяція клітин стає F+-клітинами.
ІІ) Трансформація бактерій полягає в перенесенні ДНК, виділеної з одних клітин в інші. Для трансформації не потрібен безпосередній контакт між двома клітинами. Здатність ДНК проникати в клітину-реципієнта залежить як від природи самої ДНК, так і від фізіологічного стану клітини-реципієнта. Трансформуючими ДНК можуть бути тільки високомолекулярні дволанцюгові фрагменти, при цьому проникати в бактеріальну клітку може ДНК, виділена з різних біологічних джерел, але включатися в геном – тільки ДНК із певним ступенем гомологічності. Після того, як екзогенний фрагмент ДНК, що проник у клітину, знайшов гомологічний фрагмент ДНК реципієнта, між ними відбувається генетичний обмін аналогічний останньому етапу кон’югації.
Відкрита у 1928 р. Ф. Грифітсом у дослідах з авірулентним безкапсульним штамом пневмокока, який набув вірулентності. Відомі колонії пневмококів двох типів – шорсткі – R, гладкі – S. R-штами непатогенні й не утворюють капсулу. Грифітс виявив: якщо мишам ввести живі R-клітини і мертві S-клітини, то миші гинуть через кілька днів, а у крові виявляються живі S-клітини. Він зробив висновок, що з мертвих S вивільняється фактор, який надає R здатність утворювати капсулу і попереджати їх руйнування в організмі господаря. Під час трансформації з клітини-донора виходить невеликий фрагмент ДНК, який активно поглинається клітиною-реципієнтом і включається до складу її ДНК, заміщуючи у ній схожий, але неідентичний фрагмент.
ІІІ) Трансдукція – перенесення генів із однієї бактеріальної клітини в іншу за допомогою фагів. Цей вид генетичного обміну відкритий Н.Ціндером і Дж.Ледербергом у 1951 році. Розрізняють:
• неспецифічну трансдукцію – у процесі репродукції в момент збирання фагових частин в їх головку разом із фаговою ДНК може проникнути будь-який фрагмент ДНК бактерії-донора (наприклад, гени, що контролюють синтез амінокислот, пуринів, піримідинів, стійкості до антибіотиків). Перенесений фагом фрагмент ДНК бактерії-донора може включатися в гомологічну ділянку ДНК клітини-реципієнта шляхом рекомбінації;
• специфічну трансдукцію – характеризується здатністю фага переносити певні гени від бактерії-донора до бактерії-реципієнта. Це пов’язано з тим, що утворення трансдукуючого фага відбувається шляхом вилучення профага з бактеріальної хромосоми разом із генами, розміщеними на хромосомі клітини-донора поряд із профагом (наприклад, фаг λ переносить гени gal чи bio);
• абортивну трансдукцію – перенесений фагом фрагмент ДНК бактерії-донора не включається в хромосому бактерії-реципієнта, а розміщується в її цитоплазмі і може там функціонувати.
Усі відомі способи передачі генетичної інформації за допомогою плазмід створюють величезні можливості для інтенсивних генетичних обмінів між клітинами різних бактерій. Плазмідам і іншим позахромосомним генетичним елементам належить основна роль у передачі генетичної інформації "по горизонталі". Можна припустити, що в природі будь-яка генетична інформація може бути перенесена у клітину прокаріот, якщо не прямо, то через посередників.
РІСТ ТА РОЗВИТОК ПРОКАРІТ
1. Хімічний склад. Бактеріальна клітина містить 75-85% води, решта – суха речовина. Спори бактерій містять 40-50% води. За кількісним вмістом у клітині розрізняють органогенні (C, O, H, N), макро- (,S, P, K, Na, Ca, Mg, Fe) і мікроелементи (Mn, Mo, Zn, Cu, Co, Ni, V, B, Cl, Se, Si, W). Крім мінеральних речовин, більшість мікроорганізмів потребують додаткових сполук, що називаються факторами росту – амінокислот, пуринів, піримідинів, вітамінів (отримали назву ауксотрофів, на відміну від прототрофів, яким такі фактори росту не потрібні).
2. Харчування. Організми, що отримують енергію за допомогою фотосинтезу чи шляхом окислення неорганічних сполук здатні використовувати СО2 як головне джерело вуглецю. Ці С-автотрофні організми відновлюють СО2. Усі інші організми отримують вуглець в основному з органічних сполук, що слугують джерелом як енергії, так і вуглецю, – гетеротрофи.
Серед гетеротрофів виділяють 3 групи:
- Сапрофіти – харчуються секреторними продуктами інших живих істот або одержують поживні речовини з мертвого органічного матеріалу (редуценти – секретують екзоферменти, продукти всмоктуються та засвоюються всередині організму). Сапрофітні мікроорганізми вирізняються вимогливістю до джерел вуглецю й енергії. Наприклад, бактерії з роду Pseudomonas, здатні використовувати будь-яку з 200 різних органічних сполук, а Bacillus fastidiosus – лише сечову кислоту і продукти її деградації. Деякі представники роду Clostridium ростуть тільки в середовищі, що містить пурини. Використовувати інші органічні субстрати для росту вони не можуть.
- Симбіотичні організми.
- Паразити – облігантні – існують тільки в живих клітинах, факультативні – викликають загибель організму-господаря та харчуються сапрофітно. Найвищий ступінь гетеротрофності властивий прокаріотам, що належать до облігатних внутрішньоклітинних паразитів. Паразитичний спосіб життя привів до редукції деяких метаболічних шляхів у цих прокаріот, що і зумовило повну їх залежність від метаболізму господаря (мікоплазми). Факультативні паразити здатні рости за відтворення відповідних умов ззовні клітини господаря (їх вдається культивувати на складних штучних середовищах, що містять білки чи продукти їх неповного гідролізу, нуклеїнові кислоти. При цьому використовують м’ясні гідролізати, цільну кров чи сироватку). Оліготрофні бактерії здатні рости за низьких концентрацій органічних речовин у середовищі. На відміну від них – копіотрофи надають перевагу високим концентраціям поживних речовин.
Залежно від механізму перероблення енергії в доступну для клітини форму АТФ розрізняють 2 головних типи метаболізму – фототрофний і хемотрофний. Організми, що здатні використовувати як джерело енергії для росту електромагнітне випромінення, називаються фототрофами. До них належать представники двох великих груп: анаеробні, що не виділяють молекулярний кисень, й аеробні ціанобактерії, водорості, рослини, які виділяють О2. На відміну від цього хемотрофи отримують енергію в результаті окисно-відновних реакцій за участю субстратів, які слугують для них джерелом живлення. Усі організми, які використовують як донори електронів органічні сполуки є органотрофами, неорганічні – літотрофами (H2, NH3, H2S, S2, Fe2+).
Серед бактерій можна зустріти представників усіх 4-х типів живлення (фото-, хемоавтотрофи, фото-, хемогетеротрофи), найважливі – хемогетеротрофні. Для деяких мікроорганізмів характерний міксотрофний ріст, за якого бактерії використовують різні типи живлення (ціанобактерії, сульфобацили).
Наступний важливий клітинний компонент – азот (10%), що знаходиться в окисленій, відновленій, молекулярній формах. Поділ прокаріот по відношенню до джерела азоту:
- аміногетеротрофи – включають більшість бактерій, що використовують азот у відновленій формі – солі амонію, сечовину, амінокислоти;
- аміноавтотрофи – використовують окислені (нітрати) форми чи молекулярний азот.
Відновлення нітратів до аміаку здійснюється за допомогою послідовної дії двох ферментів:
- Нітратредуктази – каталізує НАД•H2-залежне відновлення нітрату до нітриту:
NO3– + НАД•H2 → NO2–+НАД++H2O (перенесення на NO3– двох електронів);
- Нітритредуктази – каталізує шестиелектронне відновлення
NO2– + ЗНАД•H2 + Н+ → NH3 + 3НАД++2H2O.
Фіксація молекулярного азоту симбіотичними та вільноживучими бактеріями також приводить до його відновлення (до аміаку, за допомогою нітрогенази).
Джерело сірки більшості прокаріот – сульфати, які відновлюються до сульфіду. Проте деякі групи прокаріот не здатні до відновлення сульфату і потребують відновлених сполук сірки.
Основна форма фосфору в природі – фосфати, які і задовольняють потреби прокаріот у цьому елементі.
Усі необхідні метали прокаріоти отримують із солей навколишнього середовища.
3. Синтез сполук. Оскільки основна маса органічної речовини бактеріальної клітини складається з полімерів (за винятком ліпідів), біосинтез сполук розпочинається з утворення мономерів – моноцукрів, амінокислот, рибо- і дезоксирибонуклеотидів.
Біосинтез вуглеводів:
- автотрофи – в реакціях відновного пентозофосфатного циклу;
- гетеротрофи – реакції гліколітичного шляху (незворотні реакції катаболічного шляху каталізуються спеціальними ферментами);
- глюконеогенез – із невуглеводних попередників, наприклад амінокислот, гліцеролу, лактату.
C14-C18-жирні кислоти синтезуються шляхом послідовного приєднання двовуглецевих фрагментів до активованої C2-групи і подальшого відновлення окислених вуглецевих атомів.
Поліненасичені жирні кислоти, що містять два і більше подвійних зв’язків (виявлені лише в ціанобактерій), утворюються або за участю молекулярного кисню – в аеробних еубактерій, або в результаті реакції дегідратації на ранніх етапах синтезу кислоти – в облігатних анаеробів і деяких аеробів.
Синтез фосфоліпідів розпочинається з фосфодиоксиацетону, відновлення якого приводить до утворення гліцерол-3-фосфату. До останнього приєднуються два залишки жирних кислот з утворенням фосфатидної кислоти. Активація її за допомогою ЦТФ і подальше приєднання до фосфатної групи серину, інозитолу, гліцеролу або інших сполук приводить до синтезу фосфатидилсерину, фосфатидилінозитолу і фосфатидилгліцеролу відповідно.
Більшість прокаріот здатна синтезувати всі амінокислоти, що входять до складу клітинних білків. Початковими вуглецевими скелетами для біосинтезу амінокислот слугує невелика кількість проміжних сполук різних метаболічних шляхів. Введення в молекулу деяких із них (оксалоацетату, пірувату) амінного азоту приводить до утворення аспартату, глутамату й аланіну. Проте, в більшості випадків, початкові сполуки суттєво перебудовуються, щоб сформувався вуглецевий остів молекули майбутньої амінокислоти. Азот вводиться в молекулу амінокислоти за допомогою реакцій амінування, амідування та переамінування. Тільки одна амінокислота (гістидин) утворюється окремим біосинтетичним шляхом.
Центральне місце в біосинтезі мононуклеотидів займає синтез пуринових і піримідинових азотистих основ. Більшість прокаріот здатні синтезувати їх de novo з низькомолекулярних попередників незалежними шляхами. В результаті послідовних ферментативних реакцій під час синтезу пуринових нуклеотидів утворюється інозинова кислота, з якої шляхом хімічних модифікацій пуринового кільця синтезуються аденілова (АМФ) і гуанілова (ГМФ) кислоти. Перший піримідиновий нуклеотид, що синтезується de novo, – оротидилова кислота, декарбоксилювання якої призводить до утворення уридилової кислоти (УМФ). Остання слугує попередником цитидилових нуклеотидів, але відповідне перетворення відбувається тільки на рівні трифосфатів, тому спочатку з УМФ утворюється УТФ, амінування якого приводить до виникнення ЦТФ.
Дезоксирибонуклеотиди утворюються в результаті відновлення відповідних рибонуклеотидів на рівні дифосфатів (для деяких прокаріот описано подібне перетворення на рівні трифосфатів). Синтез специфічного для ДНК нуклеотиду – тимідилової кислоти – відбувається шляхом ферментативного метилювання дезоксиуридилової кислоти.
Багато прокаріот здатні використовувати готові пуринові та піримідинові основи, їх нуклеозиди і нуклеотиди, що наявні в поживному середовищі, оскільки містять ферменти, що каталізують такі етапи взаємоперетворень екзогенних пуринових і піримідинових похідних :
азотна основа → нуклеозид → нуклеотид (моно- → ди- → трифосфат).
4. Поживні середовища. Для виділення та вивчення властивостей мікроорганізмів застосовується велика кількість середовищ, які відрізняються за кількістю компонентів, походженням, консистенцією, складом, призначенням.
За кількістю компонентів розрізняють прості та складні (дріжджовий екстракт, пептон, м’ясний екстракт, пивне сусло, фруктовий сік, кокосове молоко, кукурудзяні чи соєві екстракти, відходи виробництв) поживні середовища.
Залежно від походження, середовища поділяють на природні, штучні, синтетичні.
Природними середовищами називають натуральні продукти — молоко, яйце, овочі, або природний субстрат — сироватка крові, жовч тощо.
Штучні середовища готують за певними рецептами з різних настоїв і відварів тваринного й рослинного походження з додаванням неорганічних солей, вуглеводів та азотистих речовин, взятих у певних співвідношеннях.
За консистенцією розрізняють середовища рідкі, напіврідкі, тверді, сипучі. Рідкі складаються з води й розчинених у ній речовин (ріст як у періодичній, так і безперервній системі). Тверді утворюються шляхом додавання до рідких середовищ ущільнюючих речовин — желатини (10-15%), агар-агару (1-2%), силікагелю (1,5-2%), карагенану (2%). Напіврідкі — містять такі ж ущільнюючі речовини, але в меншій кількості (0,2-0,3% агар-агару). Сипучі – представлені подрібненою рослинною сировиною (застосовуються у харчовій та сільськогосподарській промисловості).
За призначенням поживні середовища поділяються на звичайні, спеціальні, елективні та диференціально-діагностичні.
Звичайні застосовують для вирощування більшості мікроорганізмів. До них належать бобово-пептонний і м’ясо-пептонний бульйон, м’ясо-пептонний агар тощо.
Спеціальні середовища застосовують для виділення та культивування певних груп або видів мікроорганізмів, наприклад: середовище Чапека — для культивування грибів, середовище Омелянського — для виділення збудників анаеробного розпаду клітковини.
Елективні середовища придатні для розвитку одного виду мікроорганізмів, які пристосувалися до даних умов існування. Супутні мікроорганізми або зовсім не ростуть на таких середовищах, або розвиток їх сильно затримується (Ендо, Ешбі). Застосовують на першому етапі виділення чистої культури (для отримання накопичувальної).
Диференціально-діагностичні середовища застосовуються для вивчення біохімічних властивостей мікроорганізмів і для виділення чистих культур. Використання їх дозволяє швидко ідентифікувати близькоспоріднені види, внаслідок трикомпонентного складу – вихідних поживних речовин, субстрату, що виявляє діагностичну ознаку, індикатору.
Для вирощування аеробів у лабораторній практиці найчастіше використовується метод поверхневого культивування мікроорганізмів на твердих і рідких середовищах завдяки безпосередньому контакту з киснем повітря. Використовується також метод глибинного культивування мікроорганізмів у рідких поживних середовищах на качалках-ролерах зі швидкістю обертання 100-200 обертів за хвилину. При збільшенні швидкості обертання зростає ступінь аерації середовища.
Методи культивування анаеробів ґрунтуються на механічній ізоляції мікроорганізмів від повітря. Найпростіший — вирощування анаеробів у високому шарі поживного середовища. Посівний матеріал вносять у нижній шар середовища. Його поверхню заливають шаром стерильного вазелінового масла. Культури, які не виділяють газів, закривають щільними гумовими корками. Анаеробні мікроорганізми можна культивувати у звичайних пробірках і чашках Петрі, ставлячи їх після посіву в анаеростати.
Внесення клітин мікроорганізмів у стерильне середовище називають посівом, або інокуляцією. Спосіб посіву в середовищі залежить від його консистенції, якості засівного матеріалу й мети дослідження.
4. Культивування на поживному середовищі. Під ростом розуміють незворотне зростання кількості живої речовини, пов’язане зі збільшенням і поділом клітин. У багатоклітинних організмів збільшуються розміри тіла, в одноклітинних зростає кількість клітин. Під час визначення кількості чи маси бактерій користуються гомогенною суспензією клітин в якому-небудь рідкому середовищі та визначають концентрацію бактерій (кількість клітин на 1мл) чи густину бактерій (в мг/мл). На основі даних про збільшення цих показників у бактеріальній культурі можна обчислити константу швидкості поділу клітин (виражають числом подвоєнь концентрації бактерій за 1 год) і зворотну їй величину – час генерації (інтервал часу, за який кількість клітин подвоюється). Живими вважаються ті клітини, які можуть утворювати колонії на (в) агаризованому середовищі або суспензію в поживному розчині.
При внесенні бактерій у поживне середовище вони ростуть доти, поки вміст будь-якого з необхідних компонентів не досягне мінімуму. Якщо протягом цього часу не добавляти поживних речовин і не видаляти кінцевих продуктів обміну, то отримуємо періодичну культуру. Ріст у такій замкненій системі підлягає закономірностям, властивим не тільки для одноклітинних, а й для багатоклітинних організмів. Періодична культура поводить себе як багатоклітинний організм із генетично обмеженим ростом. Крива, що описує залежність логарифму кількості живих клітин від часу, називається кривою росту. Типова крива має S-подібну форму і включає кілька фаз:
• Початкова – обмежує проміжок часу між інокуляцією та досягненням максимальної швидкості поділу. Тривалість залежить від попередніх умов культивування, віку інокуляту, середовища. Під час лаг-фази бактерії адаптуються до нового середовища існування (наприклад, синтезують нові ферменти).
• Експоненціальна – характеризується постійною максимальною швидкістю поділу клітин, залежить від виду бактерій і поживного середовища. У лог-фазі спостерігається максимальний ріст.
• Стаціонарна – не збільшується кількість клітин. Швидкість росту дорівнює 0, зростає конкуренція за поживні ресурси. Утворення нових клітин сповільнюється, потім припиняється. Збільшення кількості клітин компенсується одночасною загибеллю, сумарна чисельність – постійна. Перехід до цієї фази зумовлений дією багатьох факторів: виснаженням поживних речовин середовища, нагромадженням токсичних шлаків.
• Відмирання – вивчена недостатньо, спричиняється нестачею поживних речовин, конкурентними взаємовідносинами, виділенням токсичних продуктів. Тому, видаляючи продукти метаболізму чи замінюючи поживне середовище, регулюючи перехід мікробної популяції зі стаціонарної у фазу відмирання, можна створити відкриту біологічну систему. Такий процес вирощування мікроорганізмів називається безперервним культивуванням і дозволяє отримати значні маси бактерій у спеціальних хемостатах і турбідистатах (використовується для виробництва вакцин, біологічно активних речовин). Для вивчення метаболічних процесів використовують синхронні культури (усі члени популяції знаходяться в одній фазі циклу).
Діауксія – двофазний ріст спостерігається під час вирощування прокаріот на середовищах, що місять суміш поживних речовин. Наприклад, розвиток кишечної палички у присутності глюкози та сорбітолу. На першому етапі бактерії використовують глюкозу, на другому – відбувається індуцибельний синтез ферментів для утилізації сорбітолу.
Співвідношення поверхня/об’єм у бактерій дуже велике. Це сприяє швидкому поглинанню поживних речовин із навколишнього середовища за рахунок дифузії і активного транспорту. За сприятливих умов бактерії ростуть дуже швидко. Ріст залежить від температури і рН, доступу поживних речовин і концентрації іонів (для облігантних аеробів – ще й кисню).
Досягнувши певних розмірів, бактерії переходять до безстатевого розмноження, що диктується відношенням об’єму ядра до об’єму цитоплазми. У швидкорослих бактерій поділ відбувається через кожні 20 хв, інтервал між поділами називається часом генерації.
Для переважної більшості прокаріот характерний бінарний поділ, що приводить до утворення двох однакових дочірніх клітин. У більшості Гр+ і нитчастих ціанобактерій поділ відбувається шляхом синтезу поперечної перегородки від периферії до центру. Так, у Bacillus subtilis всередині клітини спочатку утворюється кільцеве вп’ячування ЦПМ, що супроводжується формуванням мезосом.
Вони утворюються в місці закладки поперечної перегородки і беруть активну участь у процесах синтезу пептидоглікану та інших компонентів клітинної стінки. Клітини більшості Гр- діляться шляхом перетяжки. У Е. coli на місці поділу виявляється викривлення ЦПМ, що поступово збільшується та направляється всередину клітинної стінки. Синтез нової клітинної стінки може відбуватися в кількох місцях або тільки в зоні формування поперечної перегородки.
Варіант бінарного поділу – брунькування, при якому на одному з полюсів материнської клітки утворюється маленький виріст, що збільшується у процесі росту. Поступово виріст досягає розмірів материнської клітки, після чого відділяється від останньої. Клітинна стінка виросту повністю синтезується наново. У процесі брунькування симетрія спостерігається тільки відносно подовжньої осі. При бінарному поділі материнська клітина дає початок двом дочірнім клітинам, а сама зникає. Під час брунькування материнська клітина дає початок дочірній клітині, причому між двома типами клітин виявляються морфологічні та фізіологічні відмінності: є стара материнська клітка і нова дочірня. Брунькування характерне для різних груп прокаріот, можливо, у процесі еволюції його виникнення відбувалося неодноразово.
Множинний поділ, описаний для однієї групи одноклітинних ціанобактерій, розпочинається з попередньої реплікації хромосоми і збільшення розмірів вегетативної клітини, яка потім зазнає ряд швидких послідовних бінарних поділів усередині додаткового фібрилярного шару материнської клітинної стінки. Утворені дрібні клітини – баєоцити кількістю від 4 до 1000 – звільняються в результаті розриву материнської клітинної стінки.
Поділ прокаріотичної клітини розпочинається, як правило, через деякий час після завершення циклу реплікації молекули ДНК. Детальне вивчення взаємозв’язку між реплікацією ДНК і поділом клітини в різних видів прокаріот не привело до однозначних результатів. Отримані дані про те, що сигналом до клітинного поділу слугує початок реплікації ДНК, її завершення або реплікація визначеного локусу бактеріальної хромосоми. Отже, у нормі існує цілком певний тимчасовий зв’язок між реплікацією хромосоми і поділом бактеріальної клітки. Дія хімічних і фізичних чинників, що викликають пригнічення реплікації ДНК, зупиняє і клітинний поділ. Проте за певних умов зв’язок між обома процесами може порушуватися та клітина ділиться за відсутності синтезу ДНК (мутантні форми чи вирощування мікроорганізмів за різної температури).
ВПЛИВ НА ПРОКАРІОТИЧНІ ОРГАНІЗМИ
ФАКТОРІВ ЗОВНІШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА
демонстраційний матеріал представнений у презентації)
1. Вплив фізичних факторів. Прокаріоти здатні існувати в набагато ширшому діапазоні умов зовнішнього середовища, ніж еукаріоти. Серед них є організми, які ростуть у підводних вулканічних джерелах (температура до 300°С), кислому (pH=1 і нижче) і лужному (pH=11 і вище) середовищах, за тиску 1000 атм, високих концентраціях важких металів, концентрації солі до 30%, високих рівнях радіації. Обов’язкова умова для цього – наявність водного середовища.
а) відношення бактерій до молекулярного кисню. Кисень у природі знаходиться у зв’язаному та вільному стані. В першому випадку він входить до складу молекул води, органічних і неорганічних сполук, у другому – присутній в атмосфері у вигляді молекулярного кисню (O2). Переважна більшість організмів використовує обидві форми кисню. Наприклад, під час культивування Pseudomonas у присутності O2 і H2O джерелом близько 10% кисню, що входить до складу клітинного матеріалу, слугував газоподібний кисень, 50–60% клітинного кисню походило з води. Решта кисню в клітину постачали органічні та неорганічні компоненти поживного середовища (глюкоза, фосфати, нітрати, сульфати тощо).
Прокаріоти були першими продуцентами кисню на Землі. До того, як вони з’явилися небо було сіро-буре, а вода – жовто-бурого кольору. Серед прокаріот існують значні відмінності у відношенні до молекулярного кисню. За цією ознакою вони можуть бути поділені на кілька груп.
100%-й молекулярний кисень пригнічує ріст усіх облігатних аеробів. Багато бактерій-аеробів можуть формувати колонії на поверхні твердого поживного середовища в атмосфері, що містить 40% O2, але ріст їх припиняється, коли вміст O2 в атмосфері підвищується до 50%.
Хоча облігатні анаеробні бактерії дуже чутливі до кисню, у природі вони можуть знаходитися в аеробних зонах. Широке розповсюдження представників роду Clostridium у місцях із високим парциальнім тиском O2 пояснюється наявністю в них ендоспор, не- чутливих до молекулярного кисню. Проте і багато неспороутворних анаеробних прокаріот виявлені у природі в місцях, де спостерігається активний розвиток облігатних аеробів. Імовірно, сумісний розвиток з облігатними аеробами, що активно використовують молекулярний кисень, приводить до утворення зон із низькою концентрацією O2 для розвитку строго анаеробних видів.
б) вплив випромінювання різної довжини хвилі. Основну частку сонячного випромінювання складає видиме світло – 75%, біля 20% належить інфрачервоному, біля 5% – світлу довжиною хвилі меншою 400 нм. Видиме світло забезпечує фотосинтез, фототаксис, фотореактивацію, синтез біомолекул. Інфрачервоне – тепловий (прискорений) рух молекул і фотосинтез глибоководних прокаріот – зелених – 840 нм і пурпурних бактерій – 920-1100 нм). Ультрафіолетове виявляє бактерицидну дію, пов’язану з утворенням тимінових димерів між сусідніми азотистими основами одного ланцюга ДНК. Рентгенівське проміння виявляє протимікробну дію (стійкість прокаріот набагато вища до дії радіації, ніж еукаріотичних клітин) унаслідок утворення розривів одного або обох ланцюгів ДНК.
в) широка різноманітність бактеріальних груп щодо температурного режиму. Температурні умови біосфери досить різноманітні. Під час визначення впливу температури на прокаріотичні організми розрізняють два моменти: здатність організмів до виживання після тривалого знаходження в екстремальних температурних умовах і здатність їх до росту в цих умовах. Пристосування, сформовані у прокаріот для перенесення несприятливих умов, у тому числі й температурних, – спори, цисти. Стійкість вегетативних клітин і різних форм спокою вища за дії низьких температур (можуть проростати післядії - 2730 С).
Під час вивчення впливу температури на ріст прокаріот виділяють температурний діапазон, обмежений мінімальною та максимальною температурами, за яких ріст припиняється, а також ділянка оптимальних температур із максимальною швидкістю росту.
- психрофіти (- 100- +200С). Облігатні – пристосувалися до стійких холодних умов (глибини морів і океанів, крижані печери). Факультативні – складають більшість холодолюбивих форм, пристосувалися до нестійких холодних умов (зустрічають навіть у холодильниках). Здатність рости в умовах низьких температур пов’язують з особливостями їх ферментних білків і мембранних ліпідів. Зокрема, синтезом білків холодового шоку, нагромадженням осморегуляторів (проліну, трелагози), формуванням центрів кристалізації льоду.
- мезофіли (+200- +400С) – більшість бактерій термофіли:
- Термотолерантні (10°-60°С, оптимум 35-40°С). Основна їх відмінність від мезофілів – здатність рости за підвищених температур, хоча оптимальні знаходяться на одному рівні. Факультативні (20° - 65°С, оптимум – близький до верхньої межі росту). Облігатні (40°-70°С, не ростуть за нижчої 40°С. Оптимум близький до верхньої температурної межі). Представники: еубактерії Bacillus асidocaldarius, Synechococcus lividus, архебактерії Methanobacterium thermoautotrophicum, Thermoplasma асidophilum та ін.
- Екстремальні (оптимум у межах 80-105°С, мінімальна межа росту 60°С і вище, максимальна – до 110°С). До екстремальних термофілів належать організми з групи архебактерій, що не мають аналогів серед мезофілов: Thermoproteus, Pyrococcus, Pyrodictium тощо.
За підвищення температури кількість видів швидко зменшується. Температурна межа для фотосинтезуючих еубактерій обмежена 73°С у зв’язку з нездатністю формувати функціонально активні фотосинтетичні мембрани. Температурна ніша вище 70°С зайнята екстремальними термофілами, бідна представниками. Верхня температурна межа, за якої зафіксовано ріст у вигляді чистої бактерійної культури в лабораторії, складає 110°С. Бактерії, виділені з проб води, піднятих із глибини 2560 м (ймовірно з „чорних гейзерів”) здатні рости за температури води 250 - 300°С і тиску 265 атм. У зв’язку з цим висловлюється припущення, що прокаріоти можуть існувати скрізь, де є вода в рідкому стані та достатня кількість поживних речовин.
Екстремальні термофіли належать винятково до архей і представлені метаноутворюючими формами і видами, метаболізм яких пов’язаний з молекулярною сіркою. Майже всі вони – строгі анаероби, але є серед них і аероби (представники роду Sulfolobus). Конструктивний метаболізм авто- або гетеротрофного типу. Анаеробні автотрофи одержують енергію в результаті відновлення CO2 або S0 молекулярним воднем з утворенням метану або сірководню відповідно. Гетеротрофні екстремальні термофільні анаероби використовують різні органічні субстрати (білки, вуглеводи) для отримання енергії у процесах бродіння або анаеробного дихання з молекулярною сіркою як кінцевим акцептором електронів. Аероби одержують енергію у процесах, пов’язаних з окисленням молекулярної сірки, заліза або органічних сполук.
Термофілія включає безліч молекулярних механізмів, найважливіші з яких:
• визначальна роль мембранних ліпідів (переважання насичених жирних кислот);
• визначальна роль білків, перш за все ферментативних. Основні температурні точки термофілів залежать від конформації одного або декількох ключових ферментів: за мінімальної температури росту відбувається перехід від жорсткої неактивної конформації білкових молекул до конформації з обмеженою гнучкістю; оптимальна температура росту визначає найсприятливіший конформаційний стан ферментних білків; за максимальної температури починаються порушення конформації білків і зниження їх ферментативної активності, а вище за цю температуру ріст припиняється внаслідок теплової денатурації білків. Білки термофілів не характеризуються значними відмінностями у складі амінокислот, проте мають більше гідрофобних зв’яків, стабільну третинну структуру, сформовану за допомогою білків шаперонів у термосомі (тому ліпази використовуються для виготовлення миючих засобів);
• термостабільність ДНК, що проявляється у високому вмісті ГЦ пар (30-60%), формуванні супервитків за дії зворотної гірази, наявність поліамідів та гістоноподібних білків;
• термостабільність структурних компонентів клітини термофілів. Виявилося, що клітинна стінка, мембрани, рибосоми термофілів значно термостабільніші, ніж відповідні структури мезофілів.
2. Дія хімічних факторів:
а) відношення бактерій до кислотності середовища. Кислотність середовища (концентрація водневих іонів, pH) – важливий чинник, що визначає можливість існування прокаріот. Концентрація іонів водню в навколишньому середовищі діє на організм прямо (безпосередня дія H+) або опосередковано (через вплив на іонний стан і доступність багатьох неорганічних іонів і метаболітів, стабільність макромолекул, рівновагу електричних зарядів на поверхні клітини). При низьких значеннях pH розчинність СО2, що є основним або навіть єдиним джерелом вуглецю для автотрофних прокаріот, знижується, а розчинність деяких іонів (Cu2+, Мо2+, Mg2+, Al3+) зростає та досягає рівнів, токсичних для багатьох прокаріот. Навпаки, при високих значеннях pH розчинність багатьох катіонів (Fe2+, Са2+, Mg2+, Mn2+), необхідних клітині, різко знижується, вони випадають у осад і стають недоступними для організмів. pH впливає на стан речовин у навколишньому середовищі. Органічні кислоти в кислому середовищі знаходяться в недисоційованій формі, в якій легко проникають у клітину, стаючи токсичними для неї. Концентрація H+ зовнішнього середовища впливає й на рівновагу електричних зарядів на поверхні клітини: при низьких значеннях pH збільшується сумарний позитивний заряд, при високих – сумарний негативний заряд.
У Світовому океані й на більшій частині суші концентрація водневих іонів оптимальна для росту більшості прокаріот – рН = 7. Досить часто зустрічаються помірно кислі природні середовища (pH = 3-4) – багато озер, кислих боліт, виснажених ґрунтів. Нижчий рівень pH відзначено в териконах вугільних шахт, дренажних водах, рудникових стоках. До найкисліших із природних середовищ належать гарячі кислі джерела й оточуючі їх гарячі кислі ґрунти (pH = 1). Лужні умови, що зустрічаються у природі, звичайно, пов’язані з ґрунтами й озерами, що збагатилися лужними мінералами, екскрементами тварин, білками (pH = 8 – 11).
Залежно від відношення до кислотності середовища прокаріоти поділяють на кілька груп.
Природно, що здатність до росту за низьких або високих значеннях pH забезпечує організму певні переваги, оскільки в цих умовах різко обмежена конкуренція з боку інших організмів.
Механізм (або механізми), що забезпечує стабільність клітин і можливість їх активного розмноження за високих і низьких значеннях кислотності, невідомий. Установлено, що ацидофіли не просто витримують високі концентрації H+, а й потребують їх для росту і стабільності. Наприклад, Thermoplasma асidophilum лізується при pH вище 5.
Водночас усі вимірювання внутрішньоклітинного pH, проведені у представників груп облігатних ацидо- і алкалофілів, не залишають сумнівів у тому, що він не відповідає pH зовнішнього середовища. У всіх відомих ацидофілів значення внутрішньоклітинного pH підтримується близько 6,5, у нейтрофілів – 7,5, у алкалофілів – не вище 9,5.
Прокаріоти, що ростуть при екстремальних значеннях pH, виробили різні механізми для підтримки стабільного внутрішньоклітинного pH (непроникність ЦПМ, клітинної стінки для іонів H+, енергозалежне виштовхування іонів водню, Na+/H+-антипорт).
б) вплив на прокаріоти хімічних речовин. Залежно від хімічного складу, концентрації, температури, тривалості дії, виду прокаріот хімічні речовини можуть виявляти на мікроорганізми стимулюючу, бактеріостатичну і бактеріоцидну дію.
Антисептики поділяють на групи:
• Поверхнево-активні речовини (жирні кислоти, мила, синтетичні ПАР) – руйнують клітинну стінку та плазматичну мембрану.
• Етанол, крезол, фенол та їх похідні, – крім того, діють на білки цитоплазми.
• Барвники – діють на нуклеїнові кислоти, порушують цитокінез.
• Формалін – викликає денатурацію білків вегетативних клітин і спор.
• Солі важких металів – спричиняють коагуляцію білків (діють на SH-групи змінюючи третинну і четвертинну структуру ферментів).
3. Взаємовідносини в системі мікроорганізм-мікроорганізм і мікроорганізм-макроорганізм. Взаємовідносини організмів, які живуть в екосистемі, бувають найрізноманітнішими і включають симбіотичні, конкурентні та нейтральні взаємодії.
• Симбіоз – взаємновигідне співіснування організмів різних видів. Прикладом може слугувати співжиття молочнокислих бактерій і дріжджів. Бактерії утворюють молочну кислоту, яка підкислює середовище, створюючи сприятливі умови для росту дріжджів. Останні синтезують фактори росту, необхідні для розвитку бактерій. Інші приклади – лишайник (водорості та гриби), бульбочкові бактерії та бобові рослини. Мутуалізм – різновид симбіозу, за якого також існує взаємосприятливий вплив обох партнерів, наприклад взаємовідносини між мікрофлорою рубця жуйних і організмом тварини. Бактерії розкладають клітковину в рубці до сполук, які засвоюються організмом господаря, а останній забезпечує бактерії поживними речовинами і захищає їх від несприятливих умов. Коменсалізм – форма симбіозу за якого вигоду має лише один партнер, не завдаючи шкоди і не приносячи користі іншому (мікрофлора людини). Метабіоз – взаємовідносини між мікробами, за яких продукти метаболізму одного виду прокаріот використовуються як пожива або енергетичний матеріал іншим видом мікробів (амоніфікатори розкладають білки з утворенням аміаку, який використовується нітрифікуючими бактеріями). Синергізм – у симбіонтів взаємно посилюються фізіологічні функції та виникають нові властивості (оцтовокислі бактерії та дріжджі – бактерії перетворюють цукри в кислоти, а дріжджі забезпечують вітамінами).
• Нейтралізм – не виявляють стимулюючого чи пригнічуючого впливу.
• Конкуренція – боротьба між мікроорганізмами одного або різних видів. Антагонізм – один мікроорганізм несприятливо впливає на інший, між ними відбувається боротьба за поживні речовини, кисень (актиноміцети). Антагоністи виділяють антибіотики, бактеріоцини, органічні та жирні кислоти. Хижацтво – у світі мікроб зустрічається рідко – Bdellovibrio (існує думка про їх використання для знешкодження патогенних мікроорганізмів замість антибіотиків). Паразитизм – різновид антагонізму, за якого один партнер живе за рахунок іншого (збудники хвороб).
МОРФОЛОГІНО-ДИФЕРЕНЦІЙОВАНІ КЛІТИНИ ПРОКАРІОТ
1. Вегетативні клітини багатьох бактерій у певних умовах дають початок структурам, морфологічно відмінним від початкових. Ними можуть бути вегетативні клітини, але зміненої форми, клітинні структури з чітко вираженою функціональною спеціалізацією, різні багатоклітинні утворення. В переважній більшості всі відомі прояви морфологічної диференціації еубактерій спрямовані на підвищення їх виживання. Це виражається у формуванні спеціальних клітин:
• що володіють підвищеною стійкістю до перенесення несприятливих умов (ендоспори, цисти Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina, актиноміцети Methylosinus, Rhodomicrobium, міксобактерії, ковзаючі бактерії, Azotobacter, Bdellovibrio);
• що забезпечують ефективне розмноження виду (гормогонії та баєоцити ціанобактерій),
• що забезпечують фіксацію молекулярного азоту атмосфери (гетероцисти ціанобактерій, бактероїди бульбочкових бактерій).
В основі морфологічної диференціації лежать певні біохімічні процеси, які у свою чергу є виявом відповідної генетичної інформації..
Цисти зустрічаються в різних груп еубактерій: азотобактера, спірохет, міксобактерій, рикетсій. У більшості міксобактерій утворення цист, названих міксоспорами, – закономірна стадія їх життєвого циклу. Після закінчення стадії активного розмноження клітини міксобактерій збираються разом і утворюють так звані плодові тіла (маса слизу, в який занурені клітини або диференційовані структури, що підіймаються над поверхнею субстрату). Усередині плодових тіл клітини переходять у стан спокою. У одних видів цисти можуть морфологічно не відрізнятися від вегетативних клітин, в інших відбувається потовщення стінки вегетативної клітини, внаслідок чого формуються оптично щільні, оточені капсулою вкорочені палички або сферичні форми. Утворення міксоспор супроводжується синтезом білка, так що сформована міксоспора містить близько 1/3 новосинтезованого білка. ДНК не синтезується, а переходить із початкових вегетативних клітин.
Поява плодових тіл мікрококів зумовлена нестачею поживних речовин. Представники різних родів формують плодові тіла різною форми, що здіймаються над субстратом на висоту до 0,2 мм і складаються з 105 клітин. Етапи утворення плодових тіл:
1. агрегація протягом 4 год – рух гребнеподібних нагромаджень;
2. поява округлої чи еліптичної опуклості;
3. диференціація деяких клітин у мікроспори та лізис інших. При цьому відбувається синтез більше 30 нових білків, і на клітинній поверхні з’являються нові антигени.
У азотобактера утворення цист супроводжується зміною морфології клітини, втратою джгутиків і накопиченням у цитоплазмі у великих кількостях гранул полі-β-оксимасляної кислоти; одночасно відбувається синтез додаткових клітинних покривів.
Клітини стану спокою деяких ціанобактерій, що володіють підвищеною стійкістю до ряду несприятливих чинників (висушування, зниження температури), – акінети. Вони, як правило, більші за вегетативні клітини, мають довгасту або сферичну форму, гранульований вміст і товсту оболонку. Утворення акінет відбувається в період уповільнення росту і починається зі збільшення клітинних розмірів, при цьому в цитоплазмі відбувається накопичення гранул запасаючих речовин (глікогенових, поліфосфатних і ціанофіцинових), а також карбоксисом. Одночасно відбувається потовщення пептидогліканового шару клітинної стінки й ущільнення слизистого чохла за рахунок відкладення в ньому електронно-щільного фібрилярного матеріалу полісахаридної природи. У цитоплазмі під час формування акінет відбувається збільшення змісту ДНК, рибосом, але зменшення кількості хлорофілу, фікобілінових пігментів, води. Проростання акінет відбувається або з утворенням пори, через яку виходить проросток, або ж у результаті розриву оболонки акінети.
Утворення екзоспор характерне для стрептоміцетів – грам-позитивних актиноміцетів із високим вмістом ГЦ-пар, типових мешканців ґрунтів і активних продуцентів антибіотиків. В оптимальних умовах мікроорганізми ростуть у вигляді субстратного вегетативного міцелію, а в умовах нестачі поживних речовин – у вигляді повітряного міцелію. На кінцях повітряних гіф утворюються ланцюжки спор (50 і більше). Причому спочатку утворюються регулярно розміщені компартменти, що містять по одній копії геному. Вони диференціюються зі зміною форми та товщини клітинної стінки, перетворюючись у зрілі спори з рельєфною гідрофобною поверхнею. Екзоспори стійкі до висушування, але чутливі до високих температур. Запуск споруляції зумовлений, ймовірно, зміною рівня ГТФ і ГДФ, ауторегуляторними ендогенними факторами – індукторами синтезу повітряного міцелію.
2. Ендоспори формуються ендогенно, тобто всередині цитоплазми Гр+ „материнської клітини” (спорангія), і володіють специфічними структурами (багатошаровими білковими покривами, зовнішньою і внутрішньою мембранами, кортексом) і стійкістю до високих температур, доз радіації, летальних у нормі для вегетативних клітин.
До спороутворюючих належить велика кількість еубактерій приблизно з 15 родів (Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus, Sulfobacillus, Sporosarcina, Thermoactinomyces, Actinobifida, Sporospirillum, Oscillospira, Fusosporus). Вперше утворення спор дослідив К.Еренберг у 1838 році, докладніше вивчив Л.Пастер.
Найкраще процес спороутворення вивчений у представників родів Bacillus і Clostridium, хоча наявні дані дозволяють зробити висновок про принципову однотипність цього процесу у всіх видів. У кожній бактеріальній клітині, як правило, формується одна ендоспора. Найчастіше спороутворення спричиняється нестачею поживних речовин, нагромадженням у середовищі шкідливих продуктів обміну, несприятливою температурою, зміною рН. Процес може тривати від кількох годин до доби і відбувається в кілька фаз:
1. Нуклеоїд вегетативної клітини набуває форми видовженого тяжа, що проходить вздовж довгої осі клітини. На цій стадії припиняється реплікація ДНК, відбувається перебудова білків. Вона зворотнаю, оскільки в разі перенесення клітини у сприятливі умови процес поділу відновлюється.
2. З осьового тяжа відокремлюються 2 частини: мала – нуклеоїд майбутньої спори і велика – нуклеоїд клітини, в якій утворюється ця спора. Малий нуклеоїд локалізується на полюсі клітини. Цей поділ супроводжується появою перегородки внаслідок інвагінації цитоплазматичної мембрани.
3. Мембрана більшої клітини разом із цитоплазмою оточують меншу клітину – утворюється овальна проспора, оточена двома мембранами, зовнішньою і внутрішньою. Проспора віддаляється від мембрани материнської клітини.
4. Утворення специфічної оболонки спори – кортекса.
5. Формуються покриви спори, що складаються з кількох шарів різної товщини й будови в різних видів бактерій і надають стійкості до дії ферментів, отрут, поверхнево-активних речовин. Спорові покриви, в основному, складаються з білків і невеликої кількості ліпідів і гліколіпідів. Доведено, що спори мутантів, позбавлені покривів, проростають відразу після виходу з материнської клітини, навіть за несприятливих умов.
6. Завершується дозрівання спор, яке супроводжується синтезом дипіколінової кислоти та іншими хімічними змінами. Спори набувають специфічних властивостей (витримують кип’ятіння протягом 2 год, 20 хв залишаться живими в концентрованій HCl). Спороутворення супроводжується активним синтезом білка. Білки ендоспор багаті цистеїном і гідрофобними амінокислотами, з чим пов'язують стійкість спор до дії несприятливих чинників. Генетичний матеріал поступає в спору у вигляді повністю реплікованих молекул ДНК. Спори деяких видів містять по 2 або 3 копії хромосоми. Вміст РНК у спорах нижчий, ніж у вегетативних клітинах, і РНК, значною мірою, синтезується наново. Характерна особливість ендоспор – нагромадження в них дипіколінової кислоти й іонів кальцію в еквімолярних кількостях, що утворюють комплекс у серцевині спори. Крім Са2+, в ендоспорах збільшується вміст інших катіонів (Mg2+, Mn2+, K+), з якими пов’язують перебування спор у стані спокою та їхню термостійкість.
Спори різних бактерій розрізняються за формою, розміром, характером поверхні та локалізацією у клітині. Розрізняють спори розміщені: бацилярно (в центрі), клостридіально (ексцентрально, веретеноподібні), плектридіально (на кінцях – як тенісна ракетка).
Клітини еубактерій у стані спокою характеризуються низькими рівнями метаболічної активності (насамперед дихання). Існує кілька гіпотез механізмів, які відповідають за підтримання спеціалізованих клітин у стані спокою:
- у клітинах містяться ферменти, які інгібують, і отже, блокують метаболізм;
- серцевина спор знаходиться у зневодненому стані;
- ферменти ендоспор перебувають в особливому стані. Зміна їхньої конфігурації призводить до активації та виводить клітину зі стану спокою.
Можливо, що стан спокою – результат сумісної дії всіх описаних вище механізмів.
Проростання ендоспор відбувається у сприятливих умовах і супроводжується складними фізіологічними і біохімічними змінами. Починається він з інтенсивного поглинання спорою води і набухання. На першому етапі проростання відбувається активація ферментів (і в першу чергу літичних), різко зростає дихання, тобто мобілізується енергія, відбуваються зміни в хімічному складі (зі спор видаляється дипіколінова кислота), активно синтезуються білки і РНК. Реплікація ДНК починається не відразу, а через 1–2 год після початку проростання спори. Перш за все відбуваються процеси репарації пошкоджень ДНК, що трапилися в період спокою спори. За час проростання спори втрачають до 1/3 первинної маси. Подальші етапи полягають у руйнуванні кортекса, розриві спорових покривів, виході ростової трубочки, побудові клітинної стінки і поділі сформованої вегетативної клітини.
Проте процеси утворення морфологічно відмінних форм до сьогодні залишають відкритими багато питань, а саме: які події на рівні експресії генів ініціюють процеси клітинної диференціації у відповідь на стрес, яким чином клітини спілкуються одна з одною для формування багатоклітинної структури, як забезпечується диференційована експресія генів для утворення з однієї материнської клітини дочірних з різними детермінантами.
Процес утворення ендоспори включає події, що відбувається у 2-х різних клітинних компартментах. В одному з них, майбутній спорі, експресується набір генів специфічних для проспори – ssp-гени низькомолекулярних кислоторозчинних білків, що зв’язуються з хромосомною ДНК спори. У материнському – експресуються гени cot, які кодують білки спорових покривів. Однак вплив деяких генів, експресія яких специфічна для проспори чи материнської клітини, не обмежується одним компартментом. Існують гени, які здійснюють регуляторну функцію через межі між компартментами.
Фактори виникнення сигналів, що запускають споруляцію:
1. виснаження в середовищі поживних речовин, насамперед легкодоступних джерел вуглецю й азоту. Найімовірніший сигнал – зниження рівня ГТФ (вважають, що гуанілювання білків, зокрема ферменту EІ і білка НРr фосфотрансферазної системи властиве лише для стаціонарної фази). Передача сигналів здійснюється завдяки почерговому фосфорилюванню білків протеїнкіназами;
2. висока щільність клітинної популяції – наявність позаклітинних білкових факторів – ефект «кворум-сенсинг»;
3. синтез ДНК.
3. У еубактерій можна відстежити різні рівні клітинної організації. Переважна більшість їх – одноклітинні організми. Для вільноживучих форм це означає здатність здійснювати всі функції, властиві організму, незалежно від сусідніх кліток. Водночас для багатьох еубактерій характерна тенденція існувати не у вигляді поодиноких клітин, а формувати клітинні агрегати. Для нерухомих клітин останні – результат ряду послідовних поділів, що призводять до появи колоній. Проте утворення агрегатів клітин спостерігається і в рухомих форм. Часто клітини в агрегатах утримуються за допомогою слизу. Міцність і довговічність існування таких агрегатів залежать від властивостей слизу й умов зовнішнього середовища.
Відомі, проте, випадки, коли така тимчасова агрегація одноклітинних організмів пов’язана зі здійсненням певної функції (утворення плодових тіл міксобактеріями, яке робить можливим дозрівання цист, на що не здатні за звичайних умов поодинокі клітини) – гомологічні асоціації, що виникають у результаті неповного розходження з утворення скупчень чи багатоклітинних ниток (на противагу гетерологічних асоціацій, що формуються при залученні інших видів прокаріот, еукаріот). В аеробних умовах спостерігається утворення (строго анаеробними бактеріями з роду Clostridium) колоній, що нагадують плодові тіла міксобактерій, в яких клітини й ендоспори розташовані всередині і захищені від кисню щільним шаром слизу.
Тенденція еубактерій до механічного об’єднання клітин в агрегати і диференціювання окремих клітин – необхідні передумови для виникнення простих варіантів істинної багатоклітинності. Згідно з існуючими уявленнями, багатоклітинність починається з появи структурно-функціональних відмінностей у початково однорідної групи клітин. Для формування найпростішого типу багатоклітинного організму необхідні три умови: 1) агрегація клітин; 2) розподіл функцій між ними в агрегаті; 3) наявність між агрегованими клітинами стійких і специфічних контактів. Наслідком такого типу клітинної організації має бути підвищення життєздатності багатоклітинного комплексу, в порівнянні з поодинокою клітиною того ж виду в тих самих умовах.
Багатоклітинні організми зустрічаються в різних групах еубактерій, але найбільш високоорганізована багатоклітинність властива двом групам: актиноміцетам і ціанобактеріям. Для одноклітинних ціанобактерій, що належать до родів Gloeobacter, Gloeotheсе або Gloeocapsa, клітини після поділу залишаються з’єднаними за допомогою оточуючих їх чохлів. Усередині слизистого матеріалу чохла можуть формуватися досить великі клітинні агрегати. В цьому випадку між клітинами немає безпосереднього контакту.
Серед нитчастих ціанобактерій простежуються різні безпосередні контакти між сусідніми клітинами, що утворюють трихом. У представників роду Pseudoanabaena клітини у трихомі розділені глибокими перетяжками, а у Oscillatoria поділ, що відбувається шляхом формування поперечної перегородки, приводить до збереження щільних контактів між клітинами на великих ділянках клітинної поверхні. Часто клітини у трихомі оточені загальним чохлом, який може розглядатися як додатковий чинник, що утримує їх у певному порядку.
ЕКОЛОГІЯ МІКРООРГАНІЗМІВ
Термін екологічна мікробіологія вперше був введений у 1945 році С.М. Виноградським. Він сформував положення про постійну (аутохтонну) та тимчасову (алохтонну) мікрофлору конкретної мікробіологічної ніші.
Природні середовища існування мікроорганізмів: ґрунти, водойми, повітря, організми рослин, тварин і людей. У кожному з них розрізняють:
• постійну (резидентну, індигенну, аутохтонну) мікрофлору;
• випадкову (транзиторну, алохтонну) мікрофлору.
1. Ґрунт – найсприятливіше середовище існування мікроорганізмів. Ґрунти з рослинами і тваринами утворюють складні та багатоманітні біогеоценози, склад, щільність, функціональна активність яких залежать від типу і структури ґрунту, складу мінеральних і органічних речовин, фізико-хімічного стану, температури, рН, вологості, концентрації О2 і СО2.
Максимальна кількість мікроорганізмів у чорноземах і червоноземах на глибині 10-20 см, понад 1-2 м – зустрічаються в незначній кількості, починаючи з 5-6 м ґрунт стерильний. Патогенні мікроорганізми попадають у ґрунт із виділеннями, сечею, гноєм, мокротою, слиною, з трупами людей і тварин, при викиді фекально-побутових і стічних вод різних підприємств.
І) Серед грамнегативних бактерій найпоширеніші мешканці ґрунту такі:
1. Фототрофні бактерії:
- оксифотобактерії – ціанобактерії, що здійснюють кисневий фотосинтез (заливні рисові поля);
- аноксифототрофні бактерії – пурпурні та зелені, що здійснюють безкисневий фотосинтез.
Багато з них здатні до азотфіксації. У аеробних ціанобактерій цей процес пов’язаний з існуванням гетероцист, у яких чутливий до кисню фермент нітрогеназа, захищений від кисеньпродукуючої фотосинтетичної системи. Зрілі гетероцисти мають 3 додаткові шари поверх клітинної стінки і з вегетативними клітинами контактують через чисельні пори. Фотосинтетичні мембрани в гетероцистах сильно редуковані. Вегетативні клітини ціанобактерій проявляють сильну нітрогеназну активність лише в анаеробних чи мікроаеробних умовах.
2. Хемотрофи – населяють ті зони, де є легкодоступна для гідролізу органічна речовина, особливо їх багато в зоні кореневих систем рослин і на самих коріннях:
- псевдомонади – рухливі, утворюють спори, зазвичай аероби, деякі здатні до денітрифікації. Окремі збудники хвороб рослин – ксантомонаси;
- бделовібріони – трохи зігнені палички, з товстим полярним джгутиком. Це облігатні паразити бактерій, які проникають у периплазматичний простір інших Гр- клітин. Там ростуть, набуваючи форми довгої спірили, а далі поділяються відразу на кілька клітин. Ці клітини набувають джгутиків і виходять із клітини-господаря, активно нападаючи на нові бактерії;
- азотобактерії – великі перитрихи, аеробні азотфіксатори. Найрозповсюдженіший вид – A. chroococcum. Короткі рухливі палички перетворюються в нерухливі коки, об’єднані в диплококи. Вони покриваються слизистими капсулами. Під час старіння утворюються додаткові покриви, клітини спокою – цисти;
- бульбочкові бактерії – рухливі палички, не утворюють спор. Нерухомі, викривлені палички – бактероїди здатні до азотфіксації;
- ентеробактерії. Екологічно виділяють 3 групи – представники нормальної кишечної мікрофлори ссавців і збудники кишечних інфекцій (сальмонели, шигели); епіфітні та патогенні для рослин бактерії (ервінії); мешканці водойм і ґрунту (протеї, сератії). Активні амоніфікатори – протей навіть розкладає сечовину;
- брунькуючі бактерії – у нітробактерій утворюються „сидячі” бруньки, у гіфомікробіумів – на виростах (стебельцях);
- міксобактерії та цитофаги – слизутворюючі ковзаючі бактерії. Міксобактерії відрізняються складним життєвим циклом із формуванням плодових тіл. Можуть, окрім ґрунту, рости на гною, корі дерев. Розкладають целюлозу чи лізують інші бактерії. Хітинофаги розкладають хітин;
- простекобактерії – мають простеку у вигляді стебельця. Caulobacter відрізняється унікальним життєвим циклом. У клітини з′являється спочатку джгутик, на протилежному полюсі, на простеці, формується фіксатор, що складається з пластинок липкого матеріалу. Під час поділу утворюються 2 нерівноцінні клітини:
а) одна з простекою продовжує поділ;
б) друга з джгутиком плаває доти, поки не втратить його і не виросте простека. Тоді починає поділ. Кілька клітин із простеками об’єднюються в розетки за рахунок злипання стебелець. Часто за їх допомогою прикріплюються до більших бактерій. Дуже погано вивчені. Серед них зустрічають шестикутні форми;
- спірили – дуже рухливі. На коріннях злакових розповсюджені азоспірили, що володіють азотфіксуючою здатністю;
- спірохети – довгі (500 мкм), рухливі за рахунок аксіальних волокон.
ІІ) Серед грампозитивних зустрічаються:
- спороутворюючі – більшість паличкоподібних – бацили (утилізатори білків, сечової кислоти, фосфоорганічних сполук), клостридії (анаероби – 4 групи – цукролітичні, пектинолітичні, пуринолітичні, сульфатредукуючі). Беруть участь у перетвореннях сполук вуглецю, азоту, сірки;
- коринебактерії – характеризуються плеоморфним ростом із циклом „кок-паличка-кок” і клітинами у формі Т, Х, У, V. Артробактери беруть участь у процесах мінералізації органічних речовин в аеробних умовах. Їх вміст зростає у ґрунтах, бідних свіжими органічними залишками та в екстремальних умовах – тундра, високогірні райони, пустелі. Вони не утворюють таких стійких ендоспор, як бацили, але їх клітини довго зберігають життєздатність, а популяції виживають завдяки економному використанню ендогенних субстратів. У процесі розпаду органічних речовин деякі види утворюють пероксид водню, який бере участь в окисленні та осадженні заліза і марганцю.
- актиноміцети – високий вміст ГЦ пар 60-75%. Усі вони розкладають складні органічні речовини;
ІІІ) Мікоплазми – найважливіші Gallionella, Metallogenium, Siderococcus, розповсюджені на рослинах, тваринах, ґрунтах, чистих і стічних водоймах;
ІV) Архебактерії – метаногени, сіркоокислюючі, сірковідновлюючі, термоацидофіли, галофіли.
V) Гриби – пеніцили, аспергіли беруть участь у ґрунтоутворюючих процесах, перетвореннях сполук азоту, вуглецю, виділяють біологічно активні речовини, в тому числі токсини й антибіотики. Токсиноутворюючі гриби, потрапляючи в продукти харчування, викликають інтоксикації – мікотоксикози і афлатоксикози.
VІ) Найпростіші – харчуються бактеріями й органічними залишками, викликають зміни у складі органічних сполук ґрунту. Кількість від 500 до 500000 на 1 г.
Мікроорганізми відіграють важливу роль у формуванні ґрунту й визначають його родючість. Загальна кількість мікроорганізмів свідчить про інтенсивність біохімічних процесів, які протікають у ґрунті.
Для точнішого уявлення про родючість ґрунту проводять дослідження на наявність у ньому певних фізіологічних груп мікроорганізмів – амоніфікуючих, нітрифікуючих, денітрифікуючих, азотфіксуючих та ін.
Бактеріологічне дослідження ґрунту охоплює визначення:
а) загальної кількості сапрофітних мікроорганізмів;
б) кількості мікроорганізмів різних фізіологічних груп;
в) мікроорганізмів-антагоністів і виявлення їх активності;
г) санітарно-показових мікроорганізмів (кишкової палички);
д) патогенних мікроорганізмів.
При виділенні мікроорганізмів з ґрунту необхідно враховувати поживне середовище і мати на увазі, що всі вони на ньому не виростуть.
Терміни перебування патогенних мікробів у ґрунті варіюють – неспоротворні (дизентерії, чуми, бруцельозу, туляремії, туберкульозу) кілька днів, місяців; спори правцю, сибірської виразки, газової гангрени – роки. Відмирання зумовлюється нестачею вологи, відсутністю поживних речовин, антагонізмом бактерій, сонячним світлом.
Санітарно-епідеміологічне дослідження ґрунту проводять із метою санітарного нагляду і за епідеміологічними показниками. Ґрунти з переважанням мікрофлори, що свідчить про фекальне забруднення, вважають несприятливими (Str. faecalis, Citrobacter, Enterobacter, C. perfingens).
У ґрунті мікроорганізми утворюють складні асоціації з рослинами. Рослинна мікрофлора:
• епіфіти – існують на поверхні рослин. Є антагоністами фітопатогенних мікроб, ростуть за рахунок виділення їх і органічних забруднень. У максимальній кількості виявляють грамнегативну паличку Erwinia herbicola, псевдомонади, бацили. Знаходяться на стеблах, листках, насінні. Склад залежить від виду, віку рослин, типу ґрунту, температури;
• ризосфера – у ґрунті, біля коріння – неспороутворюючі псевдомонади, мікобактерії, актиноміцети, гриби. Функції: переводять різні субстрати у сполуки, доступні для рослин, синтезують біологічно активні речовини, вступають у симбіотичні взаємовідносини з рослинами, володіють антагоністичними властивостями проти фітопатогенів. Товщина ризосферного шару складає від кількох мл до см. У ризосферу поступають органічні речовини – малат, сукцинат, ацетат, гліколат, цукри. Коріння рослин регулює мікробний склад за допомогою лектинів, забезпечуючи прикріплення лише сприятливих видів;
• симбіоз міцелію грибів із коріннями вищих рослин – мікориза: ектотрофна (гіфи на поверхні кореня), ендотрофна (гіфи всередині паренхіми), мезотрофна (на поверхні та всередині паренхіми). Функції – збільшує площу поглинання вологи і поживних речовин, виробляє біологічно активні речовини. Деякі рослини – орхідеї, мон тропи – облігатні мікотрофні рослини.
Патогенні бактерії викликають бактеріози – загальні (загибель всього організму), місцеві – окремих органів рослин:
• Erwinia – опік, зав’ядання, мокра гниль.
• Pseudomonas – бактеріальна плямистість різного розміру та кольору.
• Xantomonas – плямистість, судинний бактеріоз.
• Corynebacterium – судинні та паренхіматозні захворювання.
• Agrobacterium – пухлини.
2. Кількісний та якісний склад мікрофлори води. Вода відкритих морських і прісноводних водойм – природне середовище різноманітних бактерій, грибів, вірусів, мікроскопічних водоростей, найпростіших. Концентрація водних організмів визначається, в основному, вмістом органічних речовин. Найчистіші ґрунтові підземні води (затримуються у фільтруючому шарі ґрунту). Значно більше мікробів у відкритих водоймах, що пов’язано з високим вмістом розчинених поживних органічних речовин, які поступають зі стічними і каналізаційними водами, відходами підприємств. Сьогодні в ріки, озера, моря викидається така кількість стічних вод із мікробами й органічними речовинами, що вода не встигає самоочищуватися. Зростання кількості органічної речовини у воді супроводжується збільшенням кількості аеробних і анаеробних бактерій. Особливо багато анаеробів у мулі, на дні водойм. Мікрофлора води виконує роль активного фактору у процесі її самоочищення від органічних відходів.
Склад і кількість мікробів відкритих водойм залежить від: хімічного складу води, заселеності прибережних зон, пори року. Переважну більшість мікрофлори рік, ставків, озер становлять коки – мікрококи, стафілококи – 80%, решта – псевдомонади, бактеріуми, клостридії, ціанобактерії.
Вода має важливе санітарно-епідеміологічне значення як фактор передачі збудників багатьох інфекцій, особливо кишечних (черевного тифу, дизентерії, сальмонельозів, холери), які з виділеннями хворих і носіїв поступають у відкриті водойми, а нерідко і в питну воду.
Хоча вода не особливо сприятлива для патогенних і умовно-патогенних мікробів, більшість із них здатні перебувати в ній певний час. Терміни виживання залежать від їх виду, концентрації, температури води, вмісту органічних речовин. Спори сибірської виразки можуть роками зберігатися у воді, місяці витримують сальмонели, лептоспіри, дні – збудники дизентерії, холери, бруцельозу, туляремії, ентеробактерії.
Основні об’єкти санітарно-епідеміологічного дослідження води – питна вода водопостачання, вода поверхневих і підземних джерел, стічні води, води прибережних зон морів, плавальних басейнів. Основні показники – загальна мікробна кількість, кількість бактерій групи кишечної палички – колі-титр, колі-індекс (чиста – 2-3, ЗМК=100, сумнівна – 100-150, забруднена – 500). Вода джерел централізованого водозабезпечення не повинна містити збудників кишкових захворювань і мати колі-індекс не більше 10000. Вода колодязів – не більше 10.
Ступінь забрудненості води мікробами прийнято виражати сапробністю – сукупністю організмів, які живуть у водах, що містять велику кількість тваринних чи рослинних решток:
• Олігосапробна – чиста вода, колі-титр = 1-10.
• Мезосапробна – зона помірного забруднення, кількість бактерій у 1 мл сотні тисяч, колі титр = 0,5-1.
• Полісапробна – вода дуже забруднена, бідна на кисень і багата на органічні речовини.
• Катаробна зона – дуже чиста вода (особливо в осінньо-зимовий період), розміщена далеко від населених пунктів.
Якщо в 1 мл 106 мікробів – вона прозора, якщо наявні дафнії – вода чиста.
Етапи очищення питних вод:
- механічне, іноді з попереднім хлоруванням;
- коагуляція солями алюмінію та заліза з наступним відстоюванням;
- фільтрування через антрацит;
- хлорування (озонування, опромінення).
Очищення стічних вод у природних умовах здійснюється шляхом фільтрації через ґрунт на спеціальних полях фільтрації та полях зрошення. У штучних умовах – на очисних спорудах – біологічних фільтрах, аеротентках, після яких вода надходить у відстійники.
3. Особливості мікрофлори повітря. Мікрофлора атмосфери вторинна, бідна і варіабельна – коки, бацили, клостридії, актиноміцети, гриби, віруси. Вона залежить від інтенсивності сонячної радіації, вітру, опадів, характеру ґрунту, пори року, умов прибирання, кількості людей, провітрювання. Мікроби надходять із поверхні ґрунту і рослин, із відходами виробництв, з організмів людини і тварин. Нестача вологи, поживних речовин, сонячна радіація перешкоджають розмноженню мікроорганізмів у повітрі. Багато мікроб у повітрі великих міст, мало – у сільській місцевості, над лісами, горами, морями (стерильне повітря під ліванськими кедрами. У древньому Римі під ними робили операції – виробляє фітонциди).
Зважені у повітрі краплі (слиз з епітеліоцитами і мікроорганізмами) утворюють стійкий мікробний аерозоль, дрібнодисперсні фракції якого здатні проникати не лише у верхні, а й у середні, нижні відділи респіраторного тракту. Повітряно-крапельним шляхом відбувається передача респіраторних захворювань – туберкульозу, грипу, кору, віспи, коклюшу, дифтерії, віспи, паротиту. Пиловим шляхом, коли викинені з респіраторного тракту крапельки висихають у бактеріальний пил, передаються туберкульоз, дифтерія.
Вивчають мікрофлору повітря методами:
• Природної седиментації – метод Коха.
• Примусової седиментації – з використанням імпакторів, імпінджерів.
• Фільтраційним – повітря продувають крізь воду або мембранні фільтри.
Критерії оцінки санітарно-мікробіологічного стану повітря – загальна кількість мікроорганізмів (на 1 м3, не повинна перевищувати 500); індекс санітарно-показових бактерій – кількість умовно-патогенних мікробів дихальних шляхів – гемолітичних стрептококів, золотистого стафілококу, Гр- бактерій, дріжджеподібних і цвільових грибів (до операції не більше 500, після – біля 1000).
Мікробіологічні аспекти охорони навколишнього середовища:
• Необхідно оберігати мікроорганізми, що здійснюють природний кругообіг речовин.
• Підтримувати мікроорганізми, що забезпечують деградацію ксенобіотиків.
• Стримувати розвиток організмів, що викликають псування харчових продуктів, ліків, водогінних і каналізаційних мереж, палива, машинної олії.
• Захищати середовище від забруднення патогенними й умовно-патогенними мікробами.
• Попереджати викид земних мікроорганізмів у космос.
• Захист природи і людини від генно-інженерних мікробів-мутантів.
4. Мікрофлора продуктів харчування. Поява мікроорганізмів у продуктах харчування відбувається через зараження:
- первинне (прижиттєве) – при захворюваннях тварин через порушення захисних бар’єрів потрапляють стафілококи, ентерококи, кишечні палички, протей, клостридії, сальмонели;
- вторинне – через об’єкти навколишнього середовища, через людей – хворих, бактеріоносіїв (у холодильнику виживають психрофіли – псевдомонади, протей, аспергіли, пеніцили):
• м’ясо – сальмонели, шигели, кишечні палички, протей, ентерококи, клостридії, бацили. Слиз утворює протей, гниття спричиняють клостридії, псевдомонади.
• молоко – фактор передачі бруцельозу, туберкульозу, шигельозу.
• яйця – сальмонельозу.
• риба – ботулізму.
• овочі, фрукти – шигели, кишечні палички, протей, стафілокок.
• злаки – гриби: аспергіли, пеніцили, фузаріуми – мікотоксикози, афлатоксикози.
5. Розвиток мікрофлори в дітей раннього віку. Умови існування мікробів у людському організмі неоднакові. Мікрофлора розміщується на шкірі, слизових оболонках порожнин, що контактують із зовнішнім середовищем, окрім матки та сечового міхура. Усі тканини організму в нормі вільні від мікробів.
Мікробіотопи організму суттєво розрізняються за газовим складом повітряного середовища, спектром ферментів та імунних факторів, продуктів метаболізму, біологічно активних речовин, рівнем рН, набором екзогенних речовин. Усі ці параметри відрізняються в ротовій порожнині, стравоході, шлунку, товстому і тонкому кишечнику, піхві, носі, верхніх і нижніх дихальних шляхах, шкірі. Власних клітин людського організму значно менше, ніж мікробних (1014 клітин, 500 видів).
До народження організм людини стерильний – ембріон захищений плацентарним та іншими бар’єрами. Через травму чи хворобу матері відбувається внутрішньоутробне інфікування плоду, тому що ембріональні імунні механізми захисту відсутні, а неспецифічні знаходяться в зародковому стані.
Мікрофлора травного тракту найчисленніша і найзначніша для підтримки здоров’я людини. Особливо значна її роль у дитячому організмі. Існують два критичні моменти у процесі формування кишечного мікробіоценозу. Перший – при народженні дитини, коли протягом перших діб починається колонізація стерильного кишечнику, другий – коли дитину відлучають від грудного годування.
У ході родів шкіра та слизові дитини вперше контактують із мікрофлорою родових шляхів матері, повітря, рук медичного персоналу. Внаслідок цього кишечна мікрофлора перших днів життя представлена асоціацією аеробів – мікрококами, ентерококами, клостридіями, стафілококами. До 4-5-го дня кишечна мікрофлора стає різноманітнішою, з’являються асоціації неспороутворюючих анаеробів (біфідобактерії, пропіонобактерії, пептококи, бактероїди і фузобактерії), але домінують аеробні – лактобацили, коки, дріжджові гриби.
Подальше формування аутомікрофлори шлунково-кишечного тракту (ШКТ) залежить від типу годування. При грудному у здорових, доношених, дітей уже в кінці першого – на початку другого тижня в мікробіоценозі переважає анаеробна складова (95% - біфідобактерії), інша частина представлена факультативними аеробами – лактобацилами, ешеріхіями, ентерококами, епідермальним стафілококом, дріжджовими грибами. Подібна динаміка зумовлена наявністю комплексу стимуляторів росту бактерій у грудному молоці, в тому числі біфідогенних факторів (манози, галактози).
При штучному годуванні становлення повноцінної мікрофлори кишечнику гальмується. Фактично замість еубіозу формується дисбіоз. Найнесприятливіші наслідки для здоров’я дитини має недорозвиненість біфідофлори через відсутність біфідогенних факторів. Положення ускладнюється відсутністю факторів місцевого антиінфекційного захисту кишечнику дитини – секреторного імуноглобуліну класу IgA (SIgA), лактоферину, лізоциму, лактопероксидази, інтерферону, лімфоцитів, макрофагів. Тому частота інфекційних захворювань у таких дітей значно вища.
6. Характеристика основних мікробіоценозів організму людини. Тканини і порожнини, що контактують із зовнішнім середовищем – шкіра, розміщені до голосової щілини відділи респіраторного тракту, слизисті очей і носа, вагіна, шлунко-кишечний тракт – відкриті біологічні системи, колонізовані мікроорганізмами. Мікробіоценози відрізняться якісним складом і густиною населення.
Постійна мікрофлора містить представників, специфічних для цього біотопу, випадкова складається з особин занесених ззовні (ШКТ – з їжею). Фізіологічна роль представників постійної мікрофлори неоднозначна. У ній розрізняють 2 фракції:
• облігантна мікрофлора – основна складова мікробіоценозу, бере участь у процесах ферментації, імуностимуляції, тобто виконує захисні й інші нормофізіологічні функції. Проявляється бродильною активністю (розпадом вуглеводів з утворенням кислих продуктів),
• факультативна мікрофлора складає меншу частину. Бере участь у гнильних процесах (розпаді білкових речовин з утворенням лужних продуктів). Нормофізіологічні функції – протидія випадковій мікрофлорі, участь у ферментативних процесах, важливих для локального біотипу. При дисбіозі кількість представників зростає – викликають патологічні процеси (нагнивання, некрози).
На шкірі виявляється як аеробна, так і анаеробна флора. Бактерії утворюють нагромадження під шаром зроговілих клітин епідермісу, у вустях волосяних фолікул, потових і сальних залоз. Концентрація та видовий склад залежать від вмісту шкірного жиру, вологості, рН, температури. Секреція потових залоз, нейтральна рН і тепло зумовлюють збільшення кількості мікроорганізмів. До складу облігатної мікрофлори входять різноманітні види Corynebacterium, Staphylococcus, Micrococcus, Propionibacterium. На шкірі здорових людей відсутні ентеробактерії, дріжджеподібні гриби, бактероїди. У новонароджених поверхневий жировий шар досить щільний, надалі зменшується. Відповідно з віком зменшується густина нормальної мікрофлори.
У нормальній мікрофлорі кон’юктиви домінують дифтероїди, нейсерії, мораксели. На кількісний та якісний склад бактерій впливає слізна рідина, в якій міститься лізоцим, що володіє антибактеріальними властивостями.
Особливість мікрофлори вуха – відсутність бактерій в середньому вусі (бактерицидна дія вушної сірки). Проте вони можуть проникати у середнє вухо через євстахієву трубу, з глотки. У зовнішньому вусі виявляють стафілококів, коринебактерій, рідше зустрічаються Pseudomonas і Candida.
Власна мікрофлора носа представлена коринебактеріями, нейсеріями, коагулазо-негативними стафілококами, альфа-гемолітичними стрептококами. Транзиторні види: Staphylococcus aureus, Escherihia coli, бета-гемолітичні стрептококи.
Мікробіоценоз ротової порожнини різноманітний, у ньому заходиться біля 300 видів, максимальна концентрація досягає 108-1011 на 1 г слини. Анаеробна мікрофлора ротової порожнини починає швидко розвиватися після прорізування зубів. Природну складають бактероїди, фузобактерії, стафілококи, нейсерії, стрептококи, спірохети, молочнокислі бактерії. Незважаючи на анатомічну близькість – синуси, євстахієві труби, нижні дихальні шляхи в нормі стерильні.
Мікрофлора стравоходу і шлунка не буває постійною, залежить від характеру їжі. У стравоході – відповідає мікробіологічному пейзажу рота. Мікробіоценоз шлунка – бідний – представлений лактобацилами, стрептококами, хелікобактерами, дріжджеподібними грибами.
Кишечник – біотип із найвищою густиною мікробної колонізації. У дванадцятипалій і порожній кишці переважають стрептококи, лактобацили, вейлонели, у повздошній – кишечна паличка й анаеробні бактерії. У товстому мешкає 500 видів мікроорганізмів.
Розрізняють мікрофлору:
- мукозну – разом із компонентами позаклітинного матриксу формують біоплівку. Спеціальні дослідження показали, що в біоплівці, по-іншому, порівняно з чистими культурами бактерій, відбуваються фізіологічні процеси, в тому числі й продукція метаболітів. Спільнота утворює єдину генетичну систему у вигляді плазмід, що несуть поведінковий код для членів біоплівки, визначаючи їх трофічні, енергетичні зв’язки між собою та навколишнім середовищем – соціальна поведінка quorum sensing мікроорганізмів. Реакція мікроорганізмів на зміну умов середовища в біоплівці суттєво відрізняється від реакції кожного окремого виду. Така організація забезпечує її фізіологічну й функціональну стабільність і є запорукою конкурентного виживання в екологічній ніші;
- пристінкову;
- просвітну.
Слизиста суцільним газоном заселена асоціаціями анаеробних (97%) і факультативно-анаеробних бактерій. Сумарна біомаса їх складає 5% ваги (2-5 кг). Містяться ентеробактерії, ентерококи, стафілококи, лактобактерії, бактероїди, біфідобактерії, клостридії. Несподівана наявність актиноміцетів. Природна мікрофлора виконує важливі фізіологічні функції:
1) забезпечує колонізаційну резистентність слизистої, тобто перешкоджає закріпленню та розмноженню мікробів, невластивих біотипу. Кисле середовище, яке забезпечується молочною й оцтовою кислотою лактобактерій та біфідобактерій, перешкоджає розмноженню гнильної і патогенної мікрофлори;
2) стимулює процеси формування імунної системи в новонароджених і підтримку імунного тонусу в дорослих за допомогою пептидоглікану клітинної стінки бактерій та інших ад’ювантно-активних макромолекул;
3) бере участь у обмінних процесах – за рахунок продукції ферментів для метаболізму білків, ліпідів, НК, жовчевих кислот, підтримання водно-сольового балансу, синтезу вітамінів групи В, К, D, регуляції газового середовища кишечнику;
4) бере участь у біохімічних процесах травлення;
5) зумовлює інактивацію екзогенних і ендогенних токсичних продуктів за допомогою механізмів біотрансформації та біодеградації.
Бактерії групи кишечної палички мають складну будову антигену. На відміну від сальмонел мають не два, а антигени – О –соматичний, Н – джгутиковий, К – капсульний. Серед групи зустрічаються патогенні, умовно-патогенні, корисні штами. Для ідентифікації використовують Ендо, Левіна, Хейфеца, Сімонса, Кесслера. Біохімічно дуже активні – розщеплюють лактозу, глюкозу, манніт, мальтозу, декстрозу, галактозу, ксилозу, розріджують елатин, редукують нітрати і нітрити, переважно утворюють індол, не розкладають інозиту і не утворюють сірководень.
Мікрофлора вагіни і вульви залежить переважно від гормонального статусу, характер якого зумовлює метаболічну селекцію тих чи інших мікроорганізмів. Естрогенні гормони спричиняють насичення клітин циліндричного епітелію вагіни глікогеном, який утилізується Lactobacillus acidophilus. У незначних концентраціях зустрічаються коринебактерії, біфідобактерії, коки. Такий характер встановлюється з моменту статевого дозрівання у 12-13 років і зберігається до менопаузи. У дівчаток перших місяців життя аналогічний характер мікрофлори. Інший мікробіоценоз встановлюється з 2 до 12 років, коли виснажуються материнські естрогенні гормони і зникає глікоген. Домінують кокові бактерії, антагоністичні властивості яких не дуже високі. Тому дівчатка дуже вразливі до зараження венеричними захворюваннями через предмети побуту.
Вагітність супроводжується естрогенним вибухом, сприяє додатковому розвитку лактобактерій і очищенню родових шляхів від мікрофлори, несприятливої для новонароджених. Переривання вагітності пригнічує колонізаційну резистентність епітелію вагіни і вульви, що приводить до розвитку гнійно-запальних процесів. При хронічних дисбактеріозах переважає фекальна мікрофлора (кишечна паличка, ентерококи, кандиди, стафілококи).
У нормі в здорової дитини чи дорослого мікрофлора стійка до дії пошкоджуючих факторів. Еубіоз – нормальний стан природної мікрофлори організму. Характеризується стабільним складом мікробіоценозів і повним об’ємом їх фізіологічних функцій. Мікробіологічні нормативи, на які орієнтуються при визначені еубіозу коливаються в широких межах. Найчастіші наявні міжпопуляційні відмінності, які залежать від клімато-географічних умов і традицій харчування (Крайня Північ, Кавказ чи Африка, вегетаріанство, дієти) та віку.
Дисбіоз – характеризується відхиленням у складі мікробіоценозу, що суттєво виходять за рамки фізіологічної норми. За однією з оцінок стану дисбіозу кишечнику виділяють три типи порушень: а) ізольований, при якому відбувається порушення або аеробної або анаеробної аутохтонної мікрофлори; б) комбінований – одночасне порушення аеробної й анаеробної ланки; в) дислокований – спостерігається вихід мікрофлори за межі природного біотопу, тобто переміщення мікроорганізмів шлунково-кишечним трактом, вихід у загальний кровотік.
ОСОБЛИВОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ ПРОКАРІОТ
1. Загальна характеристика метаболізму. Вегетативні клітини і морфологічно змінені форми прокаріот потребують постійного притоку енергії, необхідної не лише для створення високої організації клітини, а й для її підтримання. Енергію будь-який організм отримує у процесі обміну речовин, або метаболізму, при якому відбувається регульований розпад одних речовин і утворення інших.
Обмін речовин включає три складові:
1. Розщеплення полімерних поживних речовин на невеликі фрагменти – розпад, або катаболізм. Енергетичний метаболізм – це потік реакцій, що супроводжуються мобілізацією енергії та перетворенням її в електрохімічну або хімічну (АТФ) форму, яка потім може використовуватися у всіх енергозалежних процесах.
2. Перетворення фрагментів у ряд органічних кислот і фосфорних ефірів – проміжний обмін, або амфіболізм.
3. Біосинтез „будівельних блоків” і полімерів – синтез, або анаболізм. Конструктивний метаболізм – потік реакцій, у результаті яких за рахунок речовин, що надходять ззовні, будується речовина клітин; це процес, пов’язаний зі споживанням вільної енергії (АТФ або інших багатих енергією сполук).
Анаболізм і катаболізм протікають у клітині одночасно і тісно пов’язані між собою. Зв’язок забезпечується кількома каналами:
- через постачання енергії для реакцій біосинтезу та інших енергозалежних функцій;
- надходженням ззовні відновника;
- використанням загальних проміжних продуктів
Основні метаболічні шляхи – ідентичні для всіх живих істот і підтверджують принцип „біохімічної єдності”. Існує лише кілька груп бактерій, в яких основні схеми метаболізму модифіковані, тобто переважають певні шляхи, решта – вкорочені або змінені.
Енергетичний обмін за масштабністю перевищує біосинтетичні процеси. Серед усіх джерел енергії доступні для мікроорганізмів електромагнітна та хімічна. Запасання енергії відбувається в макроергічних сполуках, серед яких:
- сполуки з високоенергетичним фосфатним зв'язком: ацилфосфати, фосфорні ефіри енолів (фосфоенолпіруват), нуклеотидди- і трифосфати, аденозинфосфосульфат;
- сполуки з високоенергетичним тіоефірним зв'язком — ацилтіоефіри.
Центральне місце серед них належить АТФ, що утворюється в реакціях субстратного та мембранозалежного фосфорилювання та характеризується наступними критеріями:
- Термодинамічно молекула АТФ нестабільна.
- Хімічно молекула АТФ високостабільна.
- Малі розміри молекули АТФ дозволяють їй легко дифундувати в різні ділянки клітини.
- АТФ на шкалі сполук займає проміжне положення, що дає їй можливість виконувати енергетичні функції: переносити енергію від високоенергетичних до низькоенергетичних сполук.
- Бере участь у реакціях, що протікають у цитоплазмі (у водному середовищі) – більшість біосинтетичних реакцій, підтримання процесів життєдіяльності, осмотична робота, рух клітини, ряд мембранозалежних процесів.
Відкриття другої універсальної форми енергії (у формі трансмембранного електрохімічного градієнта іонів водню) належить Пітеру Мітчелу. Використання цієї форми пов’язане з:
- Синтезом АТФ;
- Синтезом пірофосфату, що каталізується пов’язаним з мембраною ферментним комплексом;
- Зворотним перенесенням електронів, що приводить до відновлення НАД(Ф)+;
- Поглинанням ДНК у процесі генетичної трансформації;
- Перенесенням білків через мембрану;
- Рухом багатьох прокаріот;
- Активним транспортом молекул і іонів через ЦПМ.
2. Шляхи катаболізму гексоз. Перетворення глюкози у С3-сполуки відбувається кількома шляхами:
• Фруктозобісфосфатним або гліколітичним шляхом або шляхом Емдена-Мейєргофа-Парнаса.
Обидві реакції, при яких відбувається фосфорилювання на рівні субстрату, слугують для анаеробних організмів важливими етапами отримання енергії.

• Пентозофосфатним або гексомонофосфатним, або шляхом Варбурга-Діккенса-Хорекера. Вважають, що спочатку цей шлях виник для забезпечення еубактерій пентозами. Подальший його розвиток пов’язаний з енергетичними потребами клітини. Менша частина рибозо-5-фосфату використовувалися як джерело пентоз, а решта, що містила ще значні запаси енергії, піддається подальшим перетворенням:
• За допомогою фосфопентозоепімерази з утворенням ксилулозо-5-фосфату;
• За допомогою пентозофосфокетолази ксилулозо-5-фосфат розщеплюється на 3-фосфогліцеральдегід й ацетил фосфат.
Таке використання пентоз як джерел енергії характерне для гетеро ферментативних молочнокислих бактерій родів Lactobacillus i Leuconostos. Але й на цьому еволюційний розвиток шляху не зупинився. Сформувалася послідовність реакцій, що замикає його в цикл. При цьому відбувається повна деградація цукрів. За допомогою транскетолаз і трансальдолаз здійснюється перенесення С2 і С3-фрагментів між пентозо-5-фосфатами з утворенням С7, С4, С6, С3-цукрів.
Сумарна реакція повного функціонування циклу:
6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ+→
5 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФН2 + 6 СО2 + Фн
• Кетодезоксифосфоглюконатним, або шляхом Ентнера-Дудорова (характерний лише для бактерій).
Підсумок шляху – 2 молекули пірувату, по одній молекулі АТФ, НАДН2, НАДФН2. Вважають, що він сформувався пізніше гліколізу і пентозофосфатного шляху і зумовлений високою потребою клітин у піруваті, до утворення якого призводять не 10 реакцій, а 4. Має важливе значення, коли субстратами слугують глюконова, мананова, гексуронові кислоти та їх похідні.
Піруват займає центральне місце у проміжному обміні та слугує попередником різноманітних продуктів. Більша частина пірувату окислюється до ацетил-КоА. Важливі для бактерій такі три реакції:
• Піруват + КоА + НАД → Ацетил-КоА + НАДН2 + СО2, що каталізується піруватдегідрогеназним комплексом. Утворений ацетил-КоА надходить у цикл трикарбонових кислот.
• Піруват + КоА + Fd → Ацетил-КоА + Fd Н + СО2. Реакцію каталізує піруват: фередоксин-оксидоредуктаза, характерна для багатьох анаеробних бактерій.
• Піруват + КоА → Ацетил-КоА + форміат. Реакцію каталізує піруват: форміатліаза, характерна для анаеробних бактерій, що виділяють мурашину кислоту і зустрічається у фототрофних бактерій.
Цикл трикарбонових кислот (ЦТК) слугує для окислення ацетату до СО2 з відщепленням водню. За участю трьох дегідрогеназ водень переноситься на НАД, а за дії сукцинатдегідрогенази – безпосередньо на хінон. Як правило, коферменти передають водень у дихальний ланцюг. Окрім того, ЦТК забезпечує процеси синтезу α-кетоглутарату, оксалоацетату, сукцинату в результаті анаплеротичних реакцій.
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕСІВ БРОДІННЯ
1. Загальна характеристика процесів бродіння. Під час гідролітичного розщеплення зв’язків енергія акумулюється у формі сполук із макроергічними зв’язками і використовується мікроорганізмами для росту, розвитку, розмноження та інших процесів життєдіяльності. Із трьох принципово можливих способів регенерації АТФ (дихання, бродіння, фотосинтез) бродіння – найпростіший. Бродіння – метаболічний процес, при якому регенерується АТФ, а продукти розщеплення органічного субстрату можуть слугувати одночасно і донорами, і акцепторами водню.
Особливості бродіння:
- здійснюється переважно еубактеріями;
- окисно-відновні перетворення органічних сполук відбуваються в анаеробних умовах;
- зброджуванню піддаються вуглеводи (полісахариди перед бродінням гідролізуються до моноцукрів), спирти, органічні кислоти, амінокислоти, пурини, піримідини;
- кінцеві продукти бродіння: етанол, лактат, пропіонат, форміат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандіол, ацетон, 2-пропанол, СО2 і Н2;
- із субстрату вилучається лише частина енергії;
- залежно від того, які продукти переважають чи особливо характерні, розрізняють спиртове, молочнокисле, пропіоновокисле, мурашинокисле, маслянокисле, оцтове бродіння.
Кожен тип бродіння спричиняється особливою групою мікроорганізмів і при цьому утворюються специфічні кінцеві продукти. Поряд із цим будь-який вид бродіння можна розглядати як двостадійний процес:
• Перша стадія включає перетворення глюкози до піровиноградної кислоти одним із трьох відомих шляхів – Ембдена-Меєргофа-Парнаса, Ентнера-Дудорова чи пентозофосфатним.
Друга стадія забезпечує використання атомів водню для відновлення пірувату або утворення з нього сполук.
Синтез АТФ відбувається за механізмом субстратного фосфорилювання. Незважаючи на велику кількість субстратів, доступних для бродіння найпоширеніші реакції такі: ацетаткіназна, фосфогліцераткіназна, піруваткіназна, інші ж обмежені специфічними видами бродінь (піримідини, пурини).
Під час бродіння кінцевими акцепторами електронів слугують:
- метаболіти, що утворюються з початкових субстратів;
- речовини, що є в культуральному середовищі, СО2, Н2;
- додаткові акцептори – досить окислені неорганічні сполуки – нітрати, молекулярна сірка.
2. Спиртове бродіння. Спиртовим бродінням називається процес розкладу глюкози на спирт і вуглекислий газ. Рівняння реакції зобразив у 1815 році Гей-Люссак:
С6Н12О6 → 2СО2 + 2С2Н5ОН
У 1857 р. Л. Пастер експериментально довів біологічну природу процесів бродіння. Збудники – мікроорганізми різної організації. У Європі для промислових цілей використовують дріжджі (насамперед Saccharomyces), в Азії – мукорові гриби, в Південній Америці – бактерії (Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora, Zymomonas mobilis). ПВК не перетворюється на ацетил-КоА, а декарбоксилюється до оцтового альдегіду (піруватдекарбоксилаза):
CH3-CO-COOH → CH3-COH + CO2 .
Особливість реакції полягає в її повній безповоротності.
Ацетальдегід відновлюється до етанолу за участю НАД+-залежної алкогольдегідрогенази:
CH3-COH + НАД-H2 → CH3-CH2OH + НАД+.
Процес спиртного бродіння сумарно можна виразити такими рівнянням:
C6H12O6 + 2Фн + 2АДФ → 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2АТФ +2H2O.
Поряд із головними продуктами бродіння утворюються побічні – гліцерол, оцтовий альдегід, оцтова й янтарна кислоти, сивушні олії.

Основні продуцентами етилового спирту, що мають широке практичне застосування, дріжджі – одноклітинні еукаріоти, які належать до різних класів грибів. Найпоширеніший спосіб розмноження дріжджів – брунькування. Дріжджі – аероби зі сформованим апаратом дихання, але в анаеробних умовах здійснюють спиртове бродіння й одержують енергію за рахунок субстратного фосфорилювання. Є види дріжджів, що розвиваються на простих синтетичних середовищах; ці дріжджі здатні синтезувати всі необхідні їм складні органічні сполуки. Існують види, які потребують певних вітамінів групи В. Додавання до поживного середовища речовин, що містять комплекс вітамінів, амінокислот, цукрів приводить, як правило, до помітного стимулювання росту дріжджів.
Ряд галузей промисловості базується на життєдіяльності дріжджів (виноробство, виробництво спирту, пивоваріння, хлібопекарське виробництво). Ще в давні часи з великої різноманітності видів, рас, штамів відібрані найпридатніші для того чи іншого процесу. Для отримання спирту, вин, хлібо-булочних виробів використовують „верхові дріжджі”, для виробництва пива – „низові дріжджі”. Сировиною для виробництва спирту з використанням дріжджів слугують вуглеводи рослинного походження (картопля, злаки), відходи харчової (меляси) і целюлозно-паперової (лугу) промисловості, різні сільськогосподарські відходи, а також гідролізати деревини. Зброджування дріжджами виноградного соку лежить в основі виноробства; зброджування пивного сусла, приготовленого з пророслих зерен ячменю, спеціальними пивними дріжджами – в основі пивоваріння.
3. Молочнокисле бродіння.Молочнокисле бродіння вивчене Л.Пастером, який відкрив молочнокислі бактерії. Останні – надзвичайно поширені у природі мікроорганізми (виявлені в молочних продуктах, місцях його переробки, на рослинах та їх рештках, у кишечнику та на слизистих людини і тварин), які, проте, ніколи не виявляються у ґрунті чи водоймах. Гр+, неспоротворні, не можуть рости на мінеральних середовищах із глюкозою й амоній-іоном, а потребують вітамінів. Залежно від продуктів, які нагромаджуються під час бродіння, усі молочнокислі бактерії поділяють на:
- гомоферментативні (утворюють лише молочну кислоту) – Streptococcus, Pedicoccus, Lactobacillus. Катаболізм глюкози відбувається фруктозобісфосфатним шляхом;
- гетероферментативні (крім молочної кислоти утворюються інші кислоти, спирт, СО2, ацетоїн, діацетил) – Leuconostoc, Lactobacillus, Bifidobacterium. У цих бактерій не виявлено головних ферментів фруктозобісфосфатного шляху – альдолази й тріозофосфатізомерази. Початкові етапи перетворення глюкози здійснюються пентозофосфатним шляхом.
Молочна кислота утворюється з ПВК під дією лактатдегідрогенази:
CH3-CO-COOH → CH3-COH-COOH.
Молочна кислота утворюється з ПВК під дією лактакдегідрогенази:
CH3-CO-COOH → CH3-COH-COOH.

Лактатдегідрогеназа – стереоспецифічний фермент. У різних видів вона міститься у вигляді певних оптичних ізомерів; залежно від цього бактерії продукують D- або L-форму молочної кислоти. Ті з них, що утворюють суміш D- і L-форм, містять або дві форми ферменту, що розрізняються стереоспецифічністю, або лактатрацемазу.
Використовується цей вид бродіння для виготовлення молочнокислих продуктів, у хлібопекарстві, квашенні овочів, силосуванні кормів, виготовленні ковбас, обробці хутра, у виробництві молочної кислоти для потреб консервної, кондитерської промисловості, безалкогольних напоїв.
4. Пропіоновокисле бродіння. Пропіоновокисле бродіння (здійснюється Propionibacterium) – перетворення глюкози на пропіонову кислоту, оцтову кислоту, СО2 і Н2О. Бродіння важливе для дозрівання сирів – зумовлює їх смак і утворення «вічок». Пропіоновокислі бактерії мешкають у рубці та кишечнику жуйних тварин, де беруть участь в утворенні жирних кислот, насамперед пропіонової та оцтової.

5. Маслянокисле бродіння. Маслянокисле бродіння (здійснюється Clostridium) – приводить до утворення масляної кислоти, СО2, Н2О і проміжних продуктів – бутилового спирту, ацетону, етанолу, оцтової кислоти. Відкрите Л. Пастером у 1861 році. Використовується в кондитерській і парфумерній промисловості (ефіри як ароматичні речовини). Бактерії роду Clostridium завдають значної шкоди, зумовлюючи гниття овочів та псування продуктів.

ДИХАННЯ БАКТЕРІЙ
1. Цикл трикарбонових кислот. Утворені у процесі розпаду мономерів сполуки містять ще значну кількість енергії. Повне ступінчасте вилучення енергії відбувається у процесі дихання. Щоб максимально використовувати енергетичні можливості, закладені у процесі перенесення електронів від субстрату на молекулярний кисень, необхідно було:
• сформувати механізми, що дозволяють повністю відщеплювати водень (електрони) від субстрату;
• створити системи, в яких весь відщеплений водень передаватиметься на O2 найраціональнішим шляхом,
• утворити механізми, за допомогою яких енергія переносу електронів трансформуватиметься в хімічну енергію, доступну для використання в усіх енергозалежних процесах клітини.
Еволюційне розв’язання цих задач наступне:
1. Повне відщеплювання водню від органічного субстрату досягається в результаті функціонування ЦТК або окислювального пентозофосфатного циклу. Якщо енергетичний субстрат – неорганічні сполуки, для їх окислення були сформовані ферментативні реакції, що каталізуються відповідними дегідрогеназами.
2. Перенесення водню на молекулярний кисень здійснюється за допомогою системи структурно і функціонально взаємозв’язаних переносників, що складають "дихальний ланцюг".
3. Енергетичні можливості перенесення електронів по електрохімічному градієнту реалізуються в результаті функціонування механізмів, що сполучають електронний транспорт з фосфорилюванням.
ЦТК можна розглядати як механізм, що має двояке значення:
- забезпечує повне окислення органічного субстрату і відщеплення водню;
- постачає клітини попередниками для біосинтетичних процесів.
Початковим субстратом ЦТК слугує ацетил-КоА, що утворюється в аеробів із пірувату в реакції, яка каталізується піруватдегідрогеназним комплексом:
CH3-CO-COOH + КоA-SH + НАД+ → CH3-CO~S-КоA + НАД-H2 + CO2
Енергетичним "паливом", що переробляється у ЦТК, слугують не тільки вуглеводи, але і жирні кислоти (після попередньої деградації до ацетил-КоА), а також багато амінокислот (після видалення аміногрупи в реакціях дезамінування або переамінування). В результаті одного обороту циклу відбуваються 2 декарбоксилювання (виведення з циклу 2 атомів вуглецю (2 молекули CO2), тобто рівно стільки, скільки його поступило у вигляді ацетилової групи), 4 дегідрування (утворюються 3 молекули НАД-H2 і 1 молекула ФАД-H2) і 1 фосфорилювання.
Дефіцит оксалоацетату, внаслідок його використання для процесів біосинтезу, компенсується як у реакціях карбоксилювання пірувату або фосфоенолпірувату, так і за допомогою послідовності з двох реакцій, що отримали назву гліоксилатного шунта. В першій з них ізоцитрат під дією ізоцитратліази розщеплюється на сукцинат і гліоксилат. У другій реакції, що каталізує малатсинтаза, гліоксилова кислота конденсується з ацетил-КоА з утворенням малату, який перетворюється далі на оксалоацетат. У результаті двох нових реакцій відбувається синтез C4-кислоти з двох C2-залишків (рис. 8). Гліоксилатний шунт не працює при вирощуванні на субстратах, катаболізм яких приводить до утворення піровиноградної кислоти. Він включається при вирощуванні організмів на C2-сполуках.

2. Структура дихального ланцюга. Групи первинно анаеробних хемогетеротрофів не мають розвиненої системи мембранного електронного транспорту. Повністю сформованою системою дихального електронного транспорту володіють фотосинтезуючі еубактерії: ціанобактерії, багато пурпурних бактерій (найбільшою мірою дихання розвинено в несірчаних пурпурних бактерій). Усі облігатно і факультативно аеробні хемотрофи мають дихальні ланцюги.
У різних груп еубактерій вони значно розрізняються, що виражається в заміні одних переносників іншими зі схожими властивостями (убіхінон — менахінон); додаванні або видаленні якого-небудь переносника (наприклад, цитохрому с); розгалуженні на рівні первинних дегідрогеназ, включенні відновних еквівалентів із субстратів, що окисляються, в ланцюг і галуженні, пов’язаному з присутністю 2 або більше цитохромоксидаз.
Електрони з відновлених переносників (НАД-H2, НАДФ-H2, ФАД-H2), що утворюються при функціонуванні ЦТК або окислювального пентозофосфатного циклу, поступають у дихальний ланцюг, де проходять через ряд етапів, опускаючись поступово на все нижчі енергетичні рівні й акцептуються кінцевим акцептором електронів. Перенесення електронів приводить до значної зміни вільної енергії в системі.
У еубактерій дихальні ланцюги вражають різноманітністю своєї конкретної організації при збереженні принципової схожості в будові та функціонуванні. Компоненти дихального ланцюга занурені в ліпідний шар – це ферменти, коферменти, простетичні групи, гідрогенази і транспортні системи, що беруть участь у переносі електронів і водню. Найважливіші компоненти такі:
Флавопротеїни – ферменти, що містять як простетичну групу ФМН чи ФАД. Переносять водень. Активна група – ізоалоксазинова система, яка діє як зворотна окисно-відновна система. Реагуючими центрами слугують 2 атоми азоту, кожен з яких може зв’язуватися з одним Н+.
Залізосірчані білки – окисно-відновні системи, що переносять електрони. Вони містять атоми заліза, пов’язані з одного боку з сіркою амінокислоти цистеїну, а з іншого – з неорганічною сіркою. Остання дуже легко відщеплюється у вигляді сірководню при підкисленні. Fе-S центри здатні переносити лише 1 електрон. 80% наявного у цитоплазматичній мембрані заліза заходиться в Fе-S-білках і лише 20% - у цитохромах.
Хінони – у Гр- - убіхінон, у Гр+ - нафтохінони. Ліпофільні, локалізовані у бішарі. Можуть переносити водень чи електрони.
Цитохроми – окисно-відновні системи, які переносять лише електрони. До цитохромів електрони поступають від пулу хінонів. Під часу переносу електронів еквівалентна їм кількість протонів переходить у розчин. Простетичною групою слугує гем. Цитохроми беруть участь у переносі електронів на кисень.
Цитохромоксидаза – термінальна оксидаза, що реагує з киснем і передає йому 4 електрони:
О2 + 4Fe2+ = 2O2- + 4 Fe3+
Дуже довго вважали, що цитохроми наявні лише в аеробних чи фототрофних бактерій, проте відкриті цитохроми у Desulfovibrio, Streptococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides.
Синтез АТФ із АДФ і Фн каталізується АТФ-синтазою, що приєднує фосфат до АДФ із відщепленням молекули води.
3. Біолюмінісценсія бактерій. Бактерії, що світяться, – морські організми. Це хемоорганотрофи, що за своїми морфолого-фізіологічними властивостями схожі з Enterobacteriaceae, тому їх називають морськими ентеробактеріями. Виділяють із морської та солоної води. На м’ясі та рибі вони утворюють природні накопичувальні культури, не викликають гниття та не утворюють токсинів.
Гр-, мають 1-8 джгутиків, факультативні анаероби, галофіли. Відносять до родів Photobacterium, Beneckea. В анаеробних умовах більшість здійснює мурашинокисле бродіння чи бродіння змішаного типу. Виділяють мурашину, оцтову, молочну, бурштинову кислоти, спирт, СО2, ацетоїн.
Ріст і біолюмінесценція сильно залежать від складу середовища. Світіння відбувається лише у присутності кисню та розглядається як процес аеробного окислення, що призводить не до утворення АТФ, а збудження проміжного продуту і випускання світла:
Люциферин → світло (О2, люцифераза).
Беруть участь кілька компонентів: відновлений ФМН, О2, альдегід із довгим вуглецевим ланцюгом – тетрадеканаль.
Фермент люцифераза – монооксигеназа:
ФМНН2 + О2 + R-CHO →ФМН + Н2О + R-CОOН + світло.
Світіння головоногих молюсків (каракатиць) і глибоководних риб зумовлене симбіотичними бактеріями, що містяться у спеціальних органах.
4. Анаеробне дихання прокаріот. Для аеробних організмів кисень необхідний. Проте ще в часи Пастера виявлено, що він токсичний для анаеробів – маслянокислих бактерій. Для аеробів він також може бути токсичним. Тому у більшості організмів є ферменти, здатні захищати клітину від активних форм кисню: каталаза, глутатіонпероксидаза, супероксиддисмутаза.
Багато бактерій навіть в анаеробних умовах, використовують окислююче (електрон-транспортне) фосфорилювання. При цьому відбувається перенесення електронів, отриманих при розщепленні субстрату, по вкороченому електронтранспортному ланцюгу на екзогенні (внесені у поживне середовище) чи ендогенні (утворені при розпаді субстрату) акцептори. Акцепторами електронів можуть бути іони нітриту, сульфату, карбонату, фумарату, сірка. Відповідні види бактерій об’єднуються у фізіологічні групи нітратвідновлюючих, денітрифікуючих, сульфатредукуючих, метаногенних, ацетогенних бактерій. Усі зазначені бактерії відіграють важливу роль у природному балансі речовин. Електрон-транспортне фосфорилювання з фумаратом як акцептором зустрічається не лише в бактерій, а й у червів і навіть ссавців. Реакцію, що каталізується фумаратредуктазою, можна виявити по нагромадженню чи виділенню сукцинату. Цей процес отримав назву анаеробного дихання. Енергія та склад переносників, що звільняється, визначаються окислювально-відновними потенціалами акцепторів електронів. Анаеробні дихальні ланцюги містять ті ж типи переносників, що й аероби, але цитохромоксидази замінені відповідними редуктазами. Еубактерії, що здійснюють анаеробне дихання, належать до факультативних або облігатних анаеробів.
ФОТОСИНТЕЗ ПРОКАРІОТ
1. Будова фотосинтетичного апарату прокаріот. Давні прокаріоти отримували енергію в реакціях субстратного фосфорилювання. Єдиним джерелом вільної енергії, доступним первісним організмам, була хімічна енергія органічних молекул, що виникли, в основному, абіогенним шляхом. Збільшення численності популяцій приводило до посиленого використання органічних молекул у навколишньому середовищі, яке на певному етапі стало перевищувати їх накопичення. В результаті органічні речовини поступово вичерпувалися з середовища. Еволюційним виходом із критичної ситуації стали:
- поява молекул, що поглинають кванти світла – бактеріохлорофіли, каротиноїди, фікобіліпротеїни, бактеріохлорофіли;
- використання постійно діючого джерела енергії – сонячної радіації.
Прокаріоти здійснюють три типи фотосинтезу:
I – залежний від бактеріохлорофілу безкисневий фотосинтез (зелені, пурпурні бактерії таі геліобактерії);
II – залежний від хлорофілу кисневий фотосинтез, властивий ціанобактеріям і прохлорофітам;
III – залежний від бактеріородопсину безкисневий фотосинтез, виявлений у екстремально галофільних архебактерій.
В основі фотосинтезу I і II типу лежить поглинання сонячної енергії різними пігментами, що приводить до розподілу електричних зарядів, виникнення відновника з низьким і окислювача з високим окислювально-відновним потенціалом. Перенесення електронів між цими двома компонентами приводить до виділення вільної енергії. У фотосинтезі III типу окислювально-відновні переносники відсутні. В цьому випадку енергія в доступній для організму формі виникає в результаті світлозалежного переміщення H+ через мембрану.
Фотосинтетичний апарат прокаріот різноманітний, проте складається з трьох основних компонентів:
1) світлозбираючих пігментів, що поглинають енергію світла і передають її в реакційні центри – хлорофіли, бактеріохлорофіли, фікобіліпротеїни, каротиноїди. Локалізовані: у пурпурних бактерій, геліобактерій і прохлорофіт у комплексі з білками інтегровані в мембрани, у зелених бактерій у хлоросомах, у ціанобактерій – фікобілісомах;
2) фотохімічних реакційних
центрів, де відбувається завжди локалізовані
трансформація електромагнітної у клітинних мембранах,
форми енергії в хімічну – представлених ЦПМ чи
хлорофіли або бактеріохлорофіли; розвиненою системою
3)фотосинтетичних мембран – внутрішньоцитоплазматичних похідних ЦПМ
електронтранспортних систем,
що забезпечують перенесення
електронів, пов’язане із
запасанням енергії в молекулах АТФ.
2. Фото фізичні реакції фотосинтезу. Фотофізичні процеси, що лежать в основі фотосинтезу:
• У темряві молекула хлорофілу знаходиться у стабільному незбудженому стані, а електрони – на основному енергетичному рівні.
• При потраплянні кванта світла на молекулу хлорофілу, порція енергії hν поглинається одним з електронів.
• Електрон переходить на новий вищий енергетичний рівень (за дії синього - на другий синглетний рівень на 10-12-10-13 с, за дії червоного – на перший на 10-9-10-7 с).
• Молекула хлорофілу переходить у збуджений стан.
• Молекула хлорофілу повертається в початковий стабільний стан (енергія, поглинена електроном, втрачається у вигляді тепла, флюоресценції або фосфоресценції).
Проте, оскільки пігменти утворюють комплекси і розмішені на віддалі енергія збудження мігрує в напрямі від пігментів, поглинаючих світло коротших довжин хвиль, до більш довгохвильових форм і від останніх поступає в реакційні центри.
3. Фотохімічні процеси і шляхи електронного транспорту. Тоді як основна маса фотосинтетичних пігментів здатна тільки поглинати енергію світла і передавати її сусіднім молекулам, невелика частина молекул хлорофілу бере участь у здійсненні фотохімічної реакції, тобто перетворенні електромагнітної енергії в хімічну. Процес цей відбувається в реакційних центрах, що складаються з первинного донора електронів, первинного акцептора й одного або більш вторинних акцепторів електронів.
Після захоплення вторинним акцептором електрона, він по переносниках локалізованих у безпосередній близькості від реакційного центру, може повертатися на "своє місце" в молекулі хлорофілу. Останнім переносником, з якого електрони поступають на хлорофіл реакційного центру у фотосинтезуючих організмів, переважно слугують цитохроми типу с. Повернення електрона – темновий процес. Електрон переміщається по ланцюгу переносників відповідно до електрохімічного градієнта. Має місце циклічний транспорт електронів (функціонує у пурпурних і зелених нитчастих бактерій).
Проте електрон, "відірваний" від первинного донора реакційного центру, може по ланцюгу, що складається з інших переносників, не повертатися до молекули хлорофілу, а передаватися на такі клітинні метаболіти, як НАД(Ф)+ або окислений фередоксин, які використовуються в реакціях, що вимагають відновника. Виникає однонаправлений незамкнений електронний потік – нециклічний шлях перенесення електронів (у зелених сіркобактерій і геліобактерій обидва шляхи електронного транспорту пов’язані з функціонуванням однієї фотосистеми, а у ціанобактерій і прохлорофіт циклічне перенесення електронів залежить від активності I фотосистеми, а для нециклічного потоку електронів необхідне функціонування обох фотосистем).
Потік електронів по ланцюгу переносників на певних етапах пов’язаний з направленим переміщенням протонів через мембрану, що приводить до створення протонного градієнта, який використовується для синтезу АТФ.
При циклічному електронному транспорті відновник як кінцевий продукт фотоіндукованого процесу не утворюється, оскільки електрон, що покинув молекулу хлорофілу, зрештою, знов повертається до неї. Утворення відновника можливо тільки на шляхах нециклічного перенесення електронів.
Відсутність у пурпурних і зелених нитчастих бактерій світлозалежного відновлення НАД+ або фередоксину пов’язана з тим, що електрони, які відриваються від молекули хлорофілу, в результаті фотохімічної реакції акцептуються на хінонових сполуках, окислювально-відновний потенціал яких недостатньо негативний для безпосереднього відновлення НАД+ або фередоксину. В цих групах фотосинтезуючих еубактерій відновник утворюється в результаті темнового перенесення електронів від екзогенних донорів (сульфід, тіосульфат, органічні сполуки) проти електрохімічного градієнта – зворотного перенесення електронів. Останній здійснюється за участю електронтранспортного ланцюга, до складу якого входять флавопротеїни, за рахунок енергії, що генерується у процесі циклічного електронного транспорту.
У зелених сіркобактерій і геліобактерій можливе пряме відновлення НАД+ або фередоксину шляхом перенесення електронів із вторинного акцептора на ці сполуки, тобто відновник утворюється у фотохімічній реакції. Отже, в цих групах фотосинтезуючих еубактерій у результаті фотохімічної реакції одного типу індукується як циклічний транспорт електронів, що приводить до утворення АТФ, так і нециклічний, при якому виникає відновник.
У ціанобактерій і прохлорофіт у результаті двох фотохімічних реакцій електрони підіймаються до рівня приблизно – 500 мВ, що робить можливим їх пряме перенесення на молекули фередоксину і НАДФ+. Тобто, циклічне перенесення електронів, пов’язане з активністю I фотосистеми, приводить до отримання тільки енергії. При нециклічному електронному транспорті, забезпечуваному активністю двох послідовно функціонуючих фотохімічних реакцій, на кінцевому етапі електронного перенесення утворюється відновник, а на відрізку електронтранспортного ланцюга між двома фотосистемами, де електрони переносяться по електрохімічному градієнту, має місце запасання енергії в молекулах АТФ.
Як екзогенні донори електронів використовуються органічні та неорганічні сполуки. В останньому випадку – це в основному різні відновлені сполуки сірки (H2S, сульфіт, молекулярна сірка, тіосульфат, тетратіонат, тіогліколят), а також молекулярний водень і вода.
4. Шляхи асиміляції вуглекислого газу. Усі гетеротрофи (нижчі та вищі) за допомогою певних ферментативних реакцій активно включають вуглекислоту в метаболізм, при цьому у прокаріот шляхи використання CO2 набагато різноманітніші, ніж у еукаріот (піруваткарбоксилазна, малатдегідрогеназна, ізоцитратдегідрогеназна, піруватсинтезна реакції). Тобто акцепторами вуглекислоти слугували органічні кислоти, що використовуються в більшості випадків у активованій формі. Тому основа для переходу до інтенсивнішого використовування CO2 в конструктивному метаболізмі, що привела зрештою до автотрофії, була закладена в надрах хемогетеротрофного метаболізму.
Деякі анаеробні прокаріоти, що відносяться до еу- і архебактерій – хемоавтотрофи. Фіксація CO2 у них відбувається по ацетил-КоА-шляху, не замкнутому в цикл. Ацетил-КоА служить акцептором третьої молекули CO2, що приводить до синтезу пірувату. Можливо, цей шлях фіксації CO2 — перша примітивна форма автотрофії.
Для зелених сіркобактерій характерний циклічний механізм фіксації CO2, в основі якого знаходяться реакції відновного карбоксилювання органічних кислот. Він отримав назву відновного ЦТК, або циклу Арнона. Всі реакції, в яких відбувається фіксація CO2 в циклі, функціонують як механізми хемогетеротрофної фіксації CO2, так і аналогічні їм.
У всіх вищих фотосинтезуючих організмів, починаючи вже з пурпурних бактерій, ціанобактерій і прохлорофіт, основний шлях фіксації CO2 – відновний пентозофосфатний цикл, або цикл Кальвіна. В цьому циклі вперше акцептором CO2 виступає речовина вуглеводної природи – активована молекула пентози. Для відновного пентозофосфатного циклу унікальні два ферменти, що не беруть участь в інших метаболічних шляхах:
- фосфорибулокіназа – активує молекулу акцептора шляхом вторинного фосфорилювання;
- рибулозодифосфаткарбоксилаза – каталізує реакцію акцептації рибулозо-1,5-дифосфатом молекули CO2 і подальше гідролітичне розщеплення гексози на 2 молекули фосфогліцерату, одна з яких у карбоксильній групі містить вуглець з CO2.
Молекули фосфогліцерату піддаються серії послідовних ферментативних перетворень, що ведуть до утворення молекули глюкози. Для синтезу 1 молекули глюкози з CO2 необхідні 6 оборотів циклу.
Види, що належать до роду Halobacterium являють собою високо- спеціалізовану у фізіологічному відношенні групу, що відносяться до архебактерій і існують у висококонцентрованих чи насичених розчинами солі місцях. Клітини забарвлені у жовтий, оранжевий, червоний колір (каротиноїдами).
Плазмолема характеризується наявністю темно-червоних плям діаметром 0,5 мкм, що займають близько половини поверхні клітини – пурпурна мембрана. Колір її зумовлений бактеріородопсином – пігментом, схожим із родопсином. Завдяки йому на світлі створюється протонний градієнт між зовнішнім і внутрішнім боком мембрани. Пурпурна мембрана виконує функцію протонного насоса. Урівноваження зарядів може супроводжуватися синтезом АТФ.
МІКРОБІОЛОГІЧНІ ТА МОЛЕКУЛЯРНО-БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ АНТИБІОТИКОТЕРАПІЇ ІНФЕКЦІЙНИХ ЗАХВОРЮВАНЬ
1. Класифікація антибіотиків за походженням, хімічною структурою, типом впливу, антимікробним спектром. Терапія інфекційних захворювань – це лікування бактеріальних, вірусних, грибкових, протозойних захворювань за допомогою засобів (лікарських препаратів), які вибірково пригнічують розвиток і розмноження відповідних агентів у організмі людини.
Перші хіміотерапевтичні засоби були синтезові П.Ерліхом – похідні арсену – сальварсан і неосальварсан, що використовувалися для лікування сифілісу. 1932 р. Г.Домагк синтезував перший сульфаніламідний препарат – стрептоцид – родоначальник групи сульфаніламідів, до яких чутливі стрепто-, менінго-, гонококи, хламідії.
Вивчення механізму їх антибактеріальної дії привело до відкриття антиметаболітів – сполук, що мають структурну схожість з найважливішими метаболітами, які беруть участь в анаболічних та катаболічних реакціях (сульфаніламідні – аналоги парааміно-бензойної кислоти, що входить до складу фолієвої, гідрофолієвої кислот; фтівазид – аналог ізонікотинової кислоти; нітрофурани – азотистих основ нуклеїнових кислот).
Ще в позаминулому столітті було відомо, що між різними мікроорганізмами можуть існувати як симбіотичні, так і антагоністичні взаємовідносини. Матеріальною основою антибіозу (теорія І. І. Мечникова про можливість боротьби зі збудниками кишечних захворювань за допомогою молочнокислих бактерій) слугувало спостереження А. Флемінга, який у 1928 році помітив, що колонія Penicillum notatum пригнічувала ріст стафілококів. Речовина, що дифундувала в агар дістала назву пеніциліну. В 1940 році Г.Флорі та Е.Чейном отримана стабільна форма пеніциліну. В 1943 році З.Ваксман виділив з актиноміцетів речовину, що ефективно пригнічувала розвиток туберкульозної палички. Відтоді виділено більше 6000 речовин схожої дії, проте використовують лише 50. В 1942 р. введений термін антибіотик, яким позначають високоактивні метаболічні продукти мікроорганізмів, що вибірково пригнічують ріст бактерій і окремих пухлин (у рослин – фітонциди). Напівсинтетичні антибіотики володіють новими цінними властивостями: кислото- і ферментостійкістю, широким спектром дії, ліпшим розподілом у тканинах і рідинах, меншою кількістю побічних ефектів.
Антибіотикотерапія, на відміну від клінічної фармакотерапії, розглядає систему лікування, ефективність якої визначається взаємодією 3 компонентів – мікроба, лікарського засобу, макроорганізму. Вибір антибіотика ґрунтується на особливостях виділеного чи передбачуваного збудника, його чутливості до засобу, локалізації в організмі. Необхідно також враховувати клініко-лабораторні дані стану хворого, важкість протікання інфекційного процесу, стан імунітету, вік, функцію нирок і печінки.
2. Механізми дії найважливіших антибіотиків. Антибіотики класифікують і характеризують за походженням, хімічним складом, типом впливу, спектром, механізмом дії.
А) Продуценти антибіотиків (мешканці вод і ґрунтів):
• гриби – Aspergillus, Penicillum notatum, Penicillum chrysogenum, Cephalosporium;
• актиноміцети, переважно роду Streptomyces griseus, Streptomyces erythreus, Streptomyces antibioticus, Streptomyces venezuele, Micromonospora;
• бактерії – Bacillus polymyxa.
Антибіотики забезпечують продуцентам селективні переваги (конкуренція за субстрат).
Б) За хімічним складом розрізняють:
• β-лактамні – азотовомісні гетероциклічні сполуки з β-лактамним кільцем. Визначальна роль β-лактамного кільця встановлена у 40-х роках ХХ ст.. Розрізняють групи:
- пеніциліну – природні антибіотики – бензилпеніцилін, фенікси-метилпеніцилін; напівсинтетичні – метицилін, оксацилін, аміцилін, карбаніцилін. Незважаючи на появу нових антибіотиків, пеніциліни продовжують широко використовуватися у практиці, оскільки вони володіють низьким рівнем токсичності, дозволяють застосовувати широкий діапазон дозування, відносно дешеві. До негативних наслідків застосування можна віднести виникнення алергічних реакцій. Активні у відношенні Гр+ бактерій – стрептококів, стафілококів, пневмококів (проте більшість стафілококів на сьогодні резистентні до дії антибіотиків пеніцилінового ряду).
- цефалоспорину – цефалоридин, цефалолексин, кефзол, мандал, кефлор.
• Тетрациклін і його похідні (окситетрациклін, доксициклін) – складаються з 4-х конденсованих бензольних кілець з різними радикалами. Широкий спектр дії проти Гр+ (стафіло-, стрепто-, пневмококів, клостридій, лістерій) і Гр- (гоно-, менінгококів), анаеробів, вібріона, мікоплазм, хламідій, рикетсій, деяких найпростіших. Побічні ефекти – шлунково-кишечні порушення, забарвлення зубів, бактеріостатичний ефект.
• Аміноглікозиди. Мають широкий спектр антимікробної дії (стафілококи, Гр- – кишечна паличка, шигели, протей, клебсіела, ентеробактер, сератія). Виявляють сильну і швидшу бактерицидну дію, рідко викликають алергію, але рівень токсичності високий – ототоксичність, нефротоксичність, нервово-м’язева блокада.
- стрептоміцини – містять стрептидин, стрептозу, N-метил-глюкозамін.
- група, що містить дезоксистрептамін – неоміцин, мономіцин, канаміцин, пентаміцин, гентаміцин, амікацин. Основні показники для застосування гентаміцину – важкі септичні інфекції.
• Макроліди – містять макроциклічне лактонне кільце – еритроміцин, олеандроміцин. Спектр дії, як у пеніцилінів. Бактеріостатичні, низькотоксичні, назначають вагітним при отитах, фагингітах, тонзилітах.
• Полієнові – мають кілька спряжених подвійних зв’язків – ністатин, леворин, амфотерицин В.
• Левоміцетин (хлорамфенікол) активний проти Гр+ і Гр-. Побічні ефекти – гематологічні зсуви, диспепсія, гепато- і нефротоксичність, дисбіоз.
• Рифаміцин.
• Поліміксини – препарати вузького спектра, застосовують проти Гр- бактерій. Дуже токсичні.
Рідше в лікувальній практиці застосовують антибіотики іншої хімічної структури.
В) За дією:
• Бактеріостатична – макроліди, тетрацикліни, левоміцетин. Застосовують у стадії доліковування або при середніх важкостях протікання хвороби.
• Бактерицидна – пеніциліни, цефалоспорини, аміноглікозиди, рифаміцини. Застосовують на початку хвороби. Антимікробну (антибактеріальну) дію раніше визначали в одиницях дії – ОД, що містяться в 1 мл розчину препарату чи в 1 мг хімічної чистої речовини. На теперішній час активність переважної більшості антибіотиків вимірюють у мікрограмах. Звичайно 1 мкг хімічно чистого препарату відповідає 1 ОД, хоча для окремих, випущених раніше антибіотиків, співвідношення інше – в 1 мг натрієвої солі бензилпеніциліну міститься 1,67 ОД, в 1 мкг ністатину – 4 ОД.
Г) За антимікробним спектром: вузького спектра (пеніциліни, полієнові) та широкого спектра дії. Чим ширший спектр, тим легше не помилитися, коли збудник не ідентифікований. Однак такі препарати викликають загибель корисної мікрофлори кишечнику (препарати нового покоління тетрацикліни, макроліди, цефалоспорини, аміноглікозиди).
Д) За механізмом дії викликають:
• Пригнічення різних етапів синтезу клітинної стінки – пеніциліни, цефалоспорини. Мішені дії препаратів – ферменти транс- і карбоксипептидази, що каталізують утворення поперечних зшивок у молекулах пептидоглікану. Зумовлюють загибель молодих клітин. Не діють на мікоплазми.
• Порушення функціонування цитоплазматичної мембрани – ністатин, міконазол, леворин, поліміксин, взаємодіють з ергостерином (ністатин утворює у мембрані пори, через які втрачаються К+, ферменти) чи білками (поліміксин).
• Пригнічення синтезу білка на рівні рибосом:
– Аміноглікозиди підвищують спорідненість аміноацил-тРНК до А-сайта, що призводить до зв’язування помилкових, не відповідних кодону матриці аміноацил-тРНК і викликає помилки при зчитуванні генетичної інформації.
– Тетрацикліни – зв’язуються з 30S та інгібують мРНК-залежне зв’язування аміноацил-тРНК з А-сайтом, пригнічуючи початкову стадію білкового синтезу.
– Макроліди – зв’язуються з 50S, інгібують транспептидацію, тобто перенесення поліпептидного ланцюга на аміноацил-тРНК, приєднану до А-сайту, і транслокацію – переміщення пептидилРНК з А-сайта в П-сайт.
– Левоміцетин – пригнічує пептидилтрансферазну реакцію.
• Інгібування ДНК-залежної РНК-полімерази – рифаміцин.
• Порушення реплікації – актиноміцетин (рух ДНК-полімерази), мітоміцин (ковалентні зшивки між ланцюгами ДНК), блеоміцин (комплексоутворення з ДНК і фрагментація геному).
3. Лікарська резистентність мікроорганізмів і шляхи її подолання. Ще на початку розвитку хіміотерапії під час вивчення дії трипанового синього на трипаносоми П.Ерліх помітив появу резистентних форм мікроорганізмів до даного барвника. З розширенням арсеналу хіміотерапевтичних засобів збільшувалася кількість стійких бактеріальних форм. На сьогодні день виявлено 90-98% пеніцилостійких стафілококів, 60-70% стрептоміциностійких стафілококів, 90% ампіциліностійких шигел.
Механізми резистентності складні та різноманітні. Найчастіше вони пов’язані з:
• перетворенням активної форми антибіотика в неактивну шляхом ферментативної інактивації та модифікації. Біохімічні механізми резистентності бактерій до β-лактамних антибіотиків пов’язані з індуцибельним синтезом бета-лактамази, змінами в пеніцилінзв’язуючих білках. Біохімічні механізми резистентності до аміноглікозидних антибіотиків і левоміцетину залежать від здатності бактерій утворювати ацетилтрансферазу, аденілтрансферазу, фосфотрансферазу, які викликають відповідно ацетилювання, аденілювання, фосфорилювання даних препаратів.
• активним виведенням антибіотиків завдяки функціонуванню транспортних білків;
• порушеннями в системі транспорту препарату в бактеріальну клітину (змінюється структура поринових каналів). Мішені, локалізовані у ЦПМ або в цитоплазмі, змінюються (проникають гідрофільні) – тетрацикліни;
• виникненням у мікроорганізмів альтернативного шляху життєво важливого метаболіту, що замінює основний шлях блокований препаратом;
• модифікацією чутливої мішені.
Механізми резистентності поділяють на:
- первинні – пов’язані з відсутністю „мішені” дії препарату – резистентність мікоплазм до дії пеніциліну;
- набуті – пов’язані зі змінами „мішені” в результаті модифікацій, мутацій, рекомбінацій. Гени резистентності (r-гени) передаються плазмідами (кілька генів, що формують множинну лікарську резистентність) і транспозонами (передають резистентність до одного препарату).
Кількість мутованих клітин, які володіють стійкістю до певного препарату в популяції спочатку складає одну на 105-109 інтактних клітин. Передача r-генів призводить до збільшення їх кількості. Масовій селекції та розповсюдженню антибіотикорезистентних бактеріальних популяцій сприяє багато факторів: безконтрольне і нераціональне застосування препаратів для лікування та профілактики інфекційних захворювань, використання харчових продуктів (м’ясо птахів), що містять тетрацикліни, та ін.
Боротьба з лікарсько-стійкими бактеріями проводиться різними шляхами:
- отримання нових препаратів, що відрізняються механізмом дії;
- використання інгібіторів синтезу бактеріальних ферментів (клавуланова кислота, сульбактам) і препаратів, що перешкоджають адгезії бактерій на клітинах макроорганізмів;
- обмеження розповсюдження лікарсько-стійких форм бактерій;
- заборона до застосування антибіотиків без достатніх показань;
- заборона використання медичних антибіотиків для консервації харчових продуктів, кормових добавок, прискорення росту, профілактики і лікування тварин;
- систематичне виявлення носіїв антибіотикостійких бактерій і профілактичні та очисні роботи.

Приложенные файлы

  • docx 834481
    Размер файла: 695 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий