Физиология на бактериите – химичен състав на бактериалната клетка. Бактериални ензими и значението им за микробиологичната диагноза. Постъпване на хранителни вещества в бактериалната клетка.
Химичен състав.
Микробната клетка, независимо от простото си устройство в сравнение с животинските и растителните организми, се състои от вода, белтъчини, липиди, въглехидрати, соли, различни ферменти, растежни фактори и др. Химичният състав на микробите е различен и се влияе от състава и рН на средата, и от обмяната на веществата в самата клетка.
Вода. Тя е основен компонент на клетката и заема около 75 — 98% от цялата маса. Както и в клетките на многоклетъчните организми, водата служи като дисперсна среда за всички обменни процеси, участва в процесите на синтез и разграждане на белтъци, въглехидрати, липоиди, участва в дишането на микробната клетка и др. При нейното намаляване в клетката тя загива, тъй като спира растежа и размножаването.
Белтъците съставляват около 40 — 80% от сухото вещество на микробната клетка. Те са представени от прости белтъчини — протеини и сложни белтъчни комплекси — протеиди – нуклеопротеиди, липопротеиди, гликопротеиди, хромопротеиди и др. Липопротеидите и гликопротеидите изграждат бактериалните токсини, а нуклеопротеидите изграждат ядрената субстанция на микробната клетка. На белтъците се дължи видовата специфичност на бактериите, техните токсични, антигенни и имуногенни свойства.
Нуклеинови киселини. Представени са от ДНК (3-4%) и РНК (10%). Те изпълняват същите функции както при другите еукариотни клетки.
Съдържанието на въглехидратите варира от 10 до 30% от сухото вещество. Голяма част заемат полизахаридите, обуславящи антигенната специфичност на някои микробни клетки. Богати на въглехидрати са капсулните бактерии. Те се срещат като моно-, ди- и полизахариди. Последните вземат участие в строежа на бактериалната стена, в метаболизма и в изграждането на гранулите в цитоплазмата. В цитоплазмата се намират и други въглехидратни включвания — нишесте, гликоген и др.
Липидите, представени от фосфолипиди, глицерни и мастни киселини, в зависимост от вида и от възрастта на бактериалната култура, заемат от 0,2 до 41 % от сухото вещество на клетката. Липидите изграждат клетъчната обвивка (клетъчна стена и ЦПМ), като определят нейната пропускливост, служат като източници на енергия и т. н. Липопротеидите и липополизахаридите от клетъчната стена притежават токсични и антигенни свойства.
Химични елементи. Те са източници на важни елементи за микробната клетка — натрий, калий, фосфор, желязо, сяра и др. Те вземат участие в строежа на аминокиселините, в процесите на дишането, в изграждането на някои витамини.
Бактериални ензими.
Ензимите са катализатори с биологичен произход, които спомагат на бактериите да осъществят асимилационните и дисимилационните процеси. Имат сложен белтъчен произход, действат като катализатори като ускоряват хода на всички биохимични реакции в бактериалната клетка, вземат участие и в нейното деление. По своя химичен строеж и функции те не се различават от ензимите на висшите организми. Засега само 150 от тях са получени в чист вид.
Бактериалните ензими се делят на следните групи:
1. Оксиредуктази. Към тази група се отнасят ензимите на биологичното окисление (окислително-редукционни реакции): каталаза, пероксидаза, алкохолдехидрогеназа и др.;
2. Трансферази. Те пренасят атоми от една на друга група или цели функционални групи (аминотрансферази, фосфотрансфераза и др.).
3. Хидролази (екзоензими). Предизвикват синтез или разпад по пътя на присъединяване на молекула вода. Към тази група спадат естеразите, карбоксидазите, протеазите (липаза, фосфатаза, сулфатаза, амилаза, амидаза, гликозидаза и др.).
4. Лиази. Към тази група се отнасят тези, които отцепват химични групи или водят до присъединяване на двойни връзки за изграждане на въглеродните вериги (алдолази, дехидратази и др.).
5. Изомерази. Тук се отнасят рацемази, интрамолекуларни оксиредуктази, трансферази и др. Те участват във въглехидратната обмяна.
6. Лигази. Участват в биосинтетичните реакции, като образуват връзки с отнемане на енергия от аденозинтрифосфатазата (АТФ).
Някои бактерии имат голям набор от ензими, което дава възможност те да се развиват върху хранителни среди с различни субстрати.
Патогенните бактерии, вирусите и рикетсиите имат малък набор от ензими.
Ензимите се състоят от активно действаща белтъчна част, наречена апоензим и небелтъчна съставка — коензим. Последната притежава две важни функции – предава на ензима специална конфигурация и участва в биохимичната реакция.
Върху активността на бактериалните ензими оказват влияние следните външни фактори: температурата на средата, концентрацията на водородните йони или рН, концентрацията на ензима, конкурентното подтискане на ензимите, наличието на метални йони, на активатори и инхибитори в средата и др. Това влияние на външните фактори върху активността на ензимите се използва в биохимията и приложната микробиология.
Важно свойство на ензимите е тяхното специфично действие. Те имат способността да въздействат върху определени субстрати. Така например, липазата разгражда мастите а диастазата — нишестето, каталазата отцепва Н от водородния прекис и т. н.
Свойството на ензимите да разпадат белтъците (протеолитични свойства), въглехидратите (захаролитични свойства) и мастите се използва при биохимичната характеристика на бактериите и тяхното диференциране.
Ензимната производителност на микроорганизмите намира широко приложение във ферментационната, хранително-вкусовата и други промишлености.
Хранене на бактериите.
Микроорганизмите осъществяват сложни процеси на синтез и разпад на градивните вещества на клетката, свързани с отделяне и поглъщане на енергия, т. е. обмяна на веществата. Последната включва процесите асимилация и дисимилация.
Храненето при микроорганизмите по същество не се отличава от храненето при другите живи организми. Независимо от това, храненето при бактериите се характеризира с някои особености:
- хранителните вещества постъпват в бактериалната клетка през цялата й повърхност;
- бактериите, за своя растеж и размножаване, имат различни изисквания към постъпващите хранителни вещества. Затова и култивирането на бактериите се извършва в различни хранителни среди, съдържащи различни хранителни вещества в зависимост от бактериалния вид.
В зависимост от веществата, които се използват като източници на въглерод и набавянето на енергия бактериите могат да бъдат разпределени в четири основни групи или типа хранене:
1. Фотоавтотрофи. За източник на въглерод тези бактерии използват въглероден двуокис и неорганични съединения, от които синтезират сложни въглеродсъдържащи съединения — белтъци, масти, въглеводороди, ДНК и др., а като източник на енергия – слънчевата светлина. Към тази група се отнасят фотосинтезиращи висши растения, водорасли и някои бактерии;
2. Фотохетеротрофи. Източник на въглерод в тази група са органичните съединения, а енергия получават от слънчевата светлина. Това са пурпурни бактерии и алги;
3. Хемоавтотрофи. Тази група използва въглеродния двуокис като източник на въглерод, а енергията набавят чрез окисляване на амоняк, нитрити, водород, сяроводород, сяра и сулфити;
4. Хемохетеротрофи. Бактериите от тази група използват като източници на въглерод и енергия органични съединения, съдържащи въглерод. Разпадането на тези органични съединения е и главният им източник на енергия. Тук спадат протозои, гъби и бактерии.
5. Хемохетеротрофи, които използват предимно мъртва органична материя се наричат гнилостни- или метатрофни бактерии (сапрофити).
Постъпване на хранителните вещества в бактериалната клетка.
Микроорганизми, като бактерии, плесени и дрожди, отнасящи се към холофитите, осъществяват постъпването на хранителните вещества с цялата си повърхност и ги използват под формата на относително неголеми молекули във воден разтвор. Цитоплазмата на клетката на микроорганизмите, както и при висшите организми, се състои от съединения, съдържащи елементите С, Н, О, N. Р, К, Nа, S, Fе, Мg, Са и др., които клетката доставя по различни пътища и чрез различни хранителни вещества от околната среда.
Бактериите нямат специални храносмилателни органи, а приемат хранителните вещества чрез осмоза и дифузия през цялата клетъчна повърхност. Последната притежава избирателна пропускливост и зависи от осмотичното налягане в клетката и околната среда, както и от разтворимостта, концентрацията, големината на молекулите на хранителните вещества и др. Цитоплазмената мембрана притежава основните функции и има определени места, през които преминават хранителните вещества. Външната мембрана също има значение за постъпването на хранителните вещества.
Основните пътища за постъпване на хранителните вещества в бактериалната клетка са следните:
1. Пасивна (проста) дифузия. Това е най-простият начин за постъпване на хранителните вещества. Дължи се на разликата в концентрациите на хранителните вещества от двете страни на цитоплазмената мембрана. Дифузията продължава докато се изравнят концентрациите от двете й страни. Движението се осъществява от по-високата към по-ниската концентрация. Не се изразходва енергия. По този начин преминават преди всичко вода и някои йони.
2. Улеснена дифузия. Протича като простата дифузия, но с участието на специфични белтъци (пермеази). Те пренасят хранителните вещества през ЦПМ. Също не се изразходва енергия, но протича с по-висока скорост от тази при простата дифузия.
3. Активен транспорт. Това е основният път, по който бактериите си доставят хранителни вещества. Извършва се срещу концентрационния градиент на веществата, а това осигурява наличие на хранителни молекули в цитоплазмата, които са в концентрация по-голяма от тяхната концентрация вън от клетката. Този начин се осъществява с разход на енергия. Доказано е, че преносът на захари, аминокиселини, фосфати, мазнини е генетично определен процес.
