Физиология_3_Q74ra5k

1. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРОБОВ: особенности метаболизма прокариот, транспорт питательных веществ в клетку, классификации по типАМ питания

ФИЗИОЛОГИЯ
МИКРОБОВ:
Московский государственный
медико-стоматологический
университет им. А.И. Евдокимова
д.м.н., профессор Ипполитов Е.В.
старший преподаватель Ягодина Е.А.
Кафедра микробиологии, вирусологии,
иммунологии – 2020 год
ОСОБЕННОСТИ
МЕТАБОЛИЗМА
ПРОКАРИОТ,
ТРАНСПОРТ
ПИТАТЕЛЬНЫХ
ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКУ,
КЛАССИФИКАЦИИ
ПО ТИПАМ ПИТАНИЯ
И ДЫХАНИЯ

2. От самозарождения живого – к метаболизму…

ОТ САМОЗАРОЖДЕНИЯ
ЖИВОГО – К
МЕТАБОЛИЗМУ…
1860 г. «Колбы Луи Пастера».
Учёный получил Премию
Парижской академии наук за
решение проблемы
невозможности
самозарождения живого из
мусора и отходов.

3. АНТИСЕПТИКА И АСЕПТИКА: от Джозефа Листера – к Николаю Пирогову

АНТИСЕПТИКА И
АСЕПТИКА:
ОТ ДЖОЗЕФА ЛИСТЕРА –
К
НИКОЛАЮ ПИРОГОВУ
• Асептика - комплекс
мер, направленных на
недопущение
попадания микробов в
рану.
Джозеф Листер (1827-1912 гг.)
• Антисептика –
комплекс мер,
направленных на
уничтожение микробов
в ране и организме,
обеспечение
стерильности
хирургической
Н.И. Пирогов (1810-1881
операции.
гг.)

4.

5.

КЛАССИФИКАЦИЯ БАКТЕРИЙ ПО ИСТОЧНИКАМ ЭНЕРГИИ И ПИТАНИЯ
Группа бактерий
Источник
Подгруппа
питания
энергии
Неорганический углерод
в виде СО2
или других
неорганических
соединений
Фотосинтетические реакции.
Химические
реакции
ХЕМОЛИТОТРОФЫ
(Клубеньковые бактерии)
ГЕТЕРОТРОФЫ Органические
Питаются за счет соединения
готовых
органических
веществ
(сапрофиты,
патогены)
Фотохимические
реакции
(фотосинтез)
Химические
реакции
(хемосинтез)
ФОТООРГАНОТРОФЫ
АВТОТРОФЫ
Синтезируют
вещества сами
ФОТОЛИТОТРОФЫ
Лито- неорганич.
источники
Lithos (греч.) – камень
ХЕМООРГАНОТРОФЫ
В зависимости от окисляемого субстрата, называемого донором электронов или
водорода выделяют
ЛИТОТРОФЫ (используют углерод неорганических
соединений) и ОРГАНОТРОФЫ (используют углерод органических соединений).

6.

ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ
Типы питания прокариот определяются по характеру усвоения:
углерода и азота.
Источником других органогенов водорода и кислорода служит вода
По
способности
усваивать азот
Аминоавтотрофы
Молекулярный азот
Аминогетеротрофы
Азот органических
соединений

7.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БАКТЕРИЙ (100%)
ВОДА (7580%)
СУХОЙ ОСТАТОК
(15-25%)
СВОБОДНАЯ
ОРГ.
ВЕЩЕСТВА
МИН.
ВЕЩЕСТВА
Химические
реакции,
растворитель
ПОЛИСАХАР
ИДЫ
фосфор
СВЯЗАННАЯ
Входит в состав
коллоидов клетки
НУКЛЕИНО
ВЫЕ
КИСЛОТЫ
БЕЛКИ
ЛИПИДЫ
калий
сера
магний
кальций

8.

ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Основные элементы,
необходимые для синтеза
карбогидратов, липидов,
белков, нуклеиновых кислот:
С, H, N, P, S, O
Минеральные
соли, K, Ca, Mg,
Fe, Cu, Mn, Mo,
Zn
- H и O можно получить из H2O, входящих в необходимы для
действия
состав питательных сред,
ферментов.
- С из карбогидратов, деградируемых
бактериями при окислении или
ферментации. В результате происходит
запасание энергии в виде АТФ,
Факторы роста
– основные
вещества,
которые
бактерии
синтезируют
сами, но не
будут расти в их
отсутствие –
аминокислоты.
Пурины,
N (входит в состав белков, нуклеиновых
кислот) из аммиака, аммониевых солей.
пиримидины
S (входит в состав коэнзимов) – из
сульфатов
и витамины.
Р (входит в состав нуклеиновых кислот,
АТФ, флавинов)

9.

Факторы роста. Микроорганизмы для своего роста и
размножения нуждаются в особых веществах, которые сами
синтезировать не могут и должны получать их в готовом виде.
Эти вещества называют факторами роста, и нужны они
микробным клеткам в небольших количествах.
К ним относят:
- различные витамины (например витамин К)
- аминокислоты (необходимые для синтеза белка)
- пуриновые и пиримидиновые основания (идущие на
построение нуклеиновых кислот)
Многие факторы роста входят в состав различных ферментов и
играют роль катализаторов в биохимических процессах.
Знание потребностей микроорганизмов в
питательных веществах и факторах роста очень
важно, в частности, для создания питательных сред,
применяемых для их выращивания

10.

ФЕРМЕНТЫ И ИХ РОЛЬ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ
вещества белковой природы, вырабатываемые живой клеткой. Они являются
биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ
микроорганизмов.
каждый фермент реагирует с определенным химическим соединением или
катализирует одну или несколько близких химических реакций
экзоферменты
выделяясь во внешнюю среду,
расщепляют макромолекулы
питательных веществ до более
простых соединений
конститутивные
эндоферменты
ферменты
агрессии
участвуют в реакциях обмена
веществ, происходящих
внутри клетки
индуктивные
- Гиалуронидаза
постоянно находятся в - Дезоксирибонук- синтезируются в
леаза
клетке только под
микробной клетке
влиянием
независимо от условий - Лецитиназа
соответствующего
существования
субстрата

11.

Классификация ферментов по функциям
Класс
Катализируют
Пример
ОКСИДОРЕДУКТ
АЗЫ
окислительновосстановительные реакции
каталаза,
алкогольдегидрогеназа
ТРАНСФЕРАЗЫ
перенос отдельные радикалы
и атомы от одних соединений
к другим
киназы, переносящие
фосфатную группу, как
правило, с молекулы АТФ
ГИДРОЛАЗЫ
реакции гидролиза, т.е.
расщепление веществ с
участием воды
эстеразы, пепсин, трипсин,
амилаза,
липопротеинлипаза
ЛИАЗЫ
разрыв химических связей без
гидролиза с образованием
двойной связи в одном из
продуктов
пируват-декарбоксилаза,
оксалат-декарбоксилаза,
оксалоацетатдекарбоксилаза
ИЗОМЕРАЗЫ
превращают органические
вещества в их изомеры
Имеют 6 подклассов
(Рацемазы и эпимеразы и
др.)
ЛИГАЗЫ (
синтез сложных соединений из ДНК-полимераза
простых

12.

Транспорт питательных веществ
- Питательные вещества могут проникать в цитоплазму микробных клеток только в
виде небольших молекул и в растворенном виде.
- Сложные органические вещества (белки, полисахариды и др.) предварительно
подвергаются воздействию ферментов, выделяемых микробной клеткой, и после
этого становятся доступными для использования. Транспорт питательных веществ в
клетку и выход из нее продуктов метаболизма осуществляется в основном через
цитоплазматическую мембрану.
Пассивная
диффузия
Без затрат
энергии (АТФ
не участвует)
Активный
транспорт
Затраты энергии
(АТФ, УДФ)
Облегченная
диффузия
молекулыпереносчики
«пермеазы»

13.

Поступление питательных веществ
в бактериальную клетку
Простая диффузия
Неспецифический перенос осуществляется по
градиенту концентрации без расходования энергии

14.

В основном по липидной части ЦПМ (органические молекулы,
лекарства) и реже по заполненным водой каналам.
N2, O2
небольшие полярные молекулы - этанол, H2O, мочевина

15.

Облегченная диффузия
Перенос осуществляется по градиенту концентрации с
использованием специфических белков-переносчиков
Для прокариот единственный пример облегченной диффузии – перенос глицерина

16.

Перенос осуществляется против градиента концентрации
с расходованием энергии.
Энергия необходима для модификации белка-переносчика на
внутренней стороне мембраны.
При этом резко уменьшается его сродство к субстрату

17.

Транслокация
этот тип
транспорта похож
на активный
транспорт,
но переносимая
молекула
видоизменяется в
процессе
переноса,
например
фосфорилируется

18.

Типы проникновения веществ в клетку через мембраны.

19.

Унипорт
Транспортные белки переносят субстраты по градиенту от
большей концентрации к меньшей. Метаболической энергии
не требуется.

20.

21.

Транспорт через мембраны жизненно
важен, т.к. он обеспечивает:
•соответствующее значение рН и
концентрации ионов
•доставку питательных веществ
•выведение токсичных отходов
•секрецию различных полезных веществ,
•создание ионных градиентов,

22.

Пропуская воду, клеточные мембраны в то же время не
пропускают большинство растворённых в ней веществ.
Такие мембраны называют полупроницаемыми, а диффузию
через такие мембраны - осмосом.

23.

Экзоферменты действуют на различные субстраты уже на подходе к бактериальной
клетки. На рибосомах синтезируются различные ферменты. Сложные вещества, с
которыми сталкиваются бактерии, расщепляются на более простые фрагменты –
мономеры.
Катаболизм - метаболические
процессы, при которых
расщепляются относительно
крупные органические
молекулы сахаров, жиров,
аминокислот.
В ходе катаболизма образуются более
простые органические молекулы,
необходимые для реакций
анаболизма (биосинтеза).
При этом происходит разрыв химических
связей, а освободившаяся энергия
обеспечивает процессы
жизнедеятельности в виде АТФ,
восстановленных коферментов,
пигментов, и трансмембранного
электрохимического потенциала.

24.

Анаболизм — совокупность метаболических процессов
биосинтеза сложных молекул с затратой энергии.
Сложные молекулы, входящие в состав клеточных структур, синтезируются
последовательно из более простых предшественников.
I этап
• синтез молекул-предшественников, например,
аминокислот, моносахаридов, терпеноидов и
нуклеотидов
• предшественники с затратой энергии АТФ
преобразуются в активированные формы
II этап
• активированные мономеры объединяются в
более сложные молекулы, например, белки,
III этап полисахариды, жиры, нуклеиновые кислоты
Каждый этап катализируется специализированным ферментом.

25.

Крайне высокая интенсивность
метаболизма
Правило Рубнера:
Интенсивность
метаболизма
прямо
пропорциональна
отношению
величины
площади цитоплазматической мембраны к
объему клетки: Int.Met. ~ S/V
Внутри бактериальной клетки происходит 109 – 1012
реакций в минуту.
В этих реакциях участвуют около 3000 различных
ферментов.

26.

2. Более высокая проницаемость клеточной
стенки и ЦПМ для относительно крупных
молекул, чем у эукариотических клеток
Поры
Грам (-)
бактерий
Тейхоевые
кислоты
Грам (+)
бактерий
ЦПМ
эукариот
макромолекулы
массой около
10 кД
молекулы массой
5-10 кД
молекулы
массой до
4,5-5 кД

27.

3. Ферменты выделяются из бактериальной
клетки в окружающую среду, поэтому они
являются экзоферментами
•После расщепления более с помощью ферментов, более мелкие
молекулы поступают в бактериальную клетку.
•Выделение ферментов в окружающую среду – универсальное
средство бактерий.
•Благодаря этому они едят практически все, что существует в
природе, вплоть до железа, резины и т.д.
•Есть бактерии, которые специализируются на кислотах, щелочах,
спиртах.
Например, холерных вибрион хорошо растет на щелочных
средах, а вейллонеллы – на кислых, капсульный патогенный
грибок криптококк растёт при 50-60 град. этил.спирта.

28.

ВЕЙЛОНЕЛЛЫ ротовой полости
утилизируют кислоты, выделяемые
стрептококками ГРУППЫ «МУТАНС».
ДРОЖЖЕВЫЕ ГРИБКИ
(КРИПТОКОККИ) могут
питаться спиртом при
концентрации до 600.

29.

Энергетический обмен (катаболизм) –
совокупность процессов поставки
энергии клетке.
В процессах жизнедеятельности Н – Н
связи расщепляются за счет наведенной
ассиметрии с помощью ферментов,
которые связываются с активным
центром субстрата в нескольких точках.
При этом изменяется
конформация субстрата
и происходит переход
электронов на более
высокий уровень, т.е.
возрастает энергия
электронов.

30.

Частично эта энергия “фиксируется” в
макроэргических связях, прежде всего в
фосфатсодержащих соединениях:
УДФ (уридиндифосфате),
АТФ (аденозинтрифосфате),
ферментных комплексах НАД и ФАД,
менее богатых энергией пирофосфате
и волютине.
НАД

31.

Поэтому фосфорилирование (присоединение
фосфатных групп) является ключевым этапом
метаболизма, который связан с окислительновосстановительными реакциями.
Характер фосфорилирования определяет тип
метаболического профиля прокариот, т.е. будут ли
они фототрофами или хемотрофами.
Использование или утилизация энергии
у фото- и хемотрофов сходны: они включают
реакции промежуточного метаболизма
(амфиболизма).

32.

Энергетический метаболизм
– это дыхание.
Дыхание – это цепь реакций
биологического окисления
При биологическом окислении
происходит либо отнятие (окисление)
водорода или электронов от
субстрата, либо присоединение
водорода (восстановление).

33.

В обоих случаях происходит разрушение вещества, рвутся
химические связи и освобождается энергия, которая была
затрачена на образование этих связей.
Часть энергии уходит в окружающую
среду,
часть накапливается в клетке в виде
фосфатных связей АТФ.

34.

АТФ – постоянный источник энергии для клетки.
Он мобилен и может
доставлять энергию в
любую часть клетки.
Когда клетка нуждается в
энергии, единственное,
что требуется для её
получения - это гидролиз
АТФ.

35.

Цикл ATP-ADP.
Для образования АТФ необходима энергия. При образовании АДФ и фосфата из АТФ
энергия вновь выделяется

36.

Н2
Н2
Н2
Н2
Цепь биологического окисления
Окислительное фосфорилирование. Образование АТФ
Н2

37.

Окисление глюкозы - в тех случаях, когда субстратом служит
глюкоза, -подразделяется на три чётко различимые фазы:
гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа)
окислительное декарбоксилирование
(цикл Кребса, иначе называемы циклом
лимонной кислоты или циклом трикарбоновых
кислот)
окислительное фосфорилирование
(дыхательная цепь, где происходит
перенос водорода и электронов)

38.

Модель процесса клеточного дыхания.
Энергия движения электронов и протонов
по цепи дыхательных ферментов
обеспечивает работу механизма
сопряжения процесса фосфорилирования
(кумуляция энергии)

39.

Типы дыхательный цепей

40.

Биологическая роль дыхания – получение энергии
(накопление энергии в пирофосфатных связях АТФ).
Тип
дыхания
аэробы
Строгие
(облигатные)
Факультативные
анаэробы
Микроаэрофилы
Строгие
Факультативные

41.

Тип дыхания зависит от набора
ферментов
Самая длинная цепь дыхания у аэробов.
Она включает: дегидрогеназы,
флавопротеины, цитохромы.
Конечным акцептором водорода (Н2) при
аэробном дыхании является кислород.
При аэробном дыхании выделяется
больше всего энергии, потому что
происходит полное расщепление
субстратов.

42.

У анаэробов дыхательная цепь короче: нет
цитохромов.
Конечным акцептором водорода являются
неорганические вещества (нитраты,
сульфаты, фумараты и т.д.).
Энергии выделяется меньше. Так как
дыхательная цепь короче, расщепление
субстрата происходит не до конца.

43.

Разновидность анаэробного дыхания, при
котором и донором, и акцептором водорода
является органическое вещество, называется
брожением.
При брожении происходит ферментное
расщепление органических соединений
(углеводов) в анаэробных условиях. С
учетом конечного продукта расщепления
углеводов различают
спиртовое, молочнокислое, уксусное и
другие виды брожения.
Дыхательная цепь самая короткая, энергии
выделяется меньше всего.

44.

Тип дыхания
Аэробное
Анаэробное
брожение
Кол-во
энергии,
ккал
676
166
30

45.

БЛАГОДАРЮ ЗА
ВНИМАНИЕ