Презентация на тему: Физиология и биохимия микроорганизмов

КАФЕДРА ОБМ ОНМУ Подписавшие стороны ООПС и ООС подписывают соответствующие колонки ДО ООПС и капитан или ООС подписывают ДО должны быть указаны ФИО и должность/звание подписавших лиц должны быть указаны контактные связи ООПС, капитана и ООС (указать номера телефонов или радио каналов или частот, которые нужно использовать).

Таблица 1. Макроэлементы, их источники и функции в бактериальной клетке. Элемент % от сухого веса Источник Функция Углерод 50 органические соединения или CO2 Основной компонент клеточного материала Кислород 20 H2O, органические соединения, CO2, и O2 Компонент клеточного материала и воды; O2 акцептор электронов при аэробном дыхании Азот 14 NH3, NO3, органические соединения, N2 Компонент аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеотидов и коферментов Водород 8 H2O, органические соединения, H2 Основной компонент органических соединений и клеточной воды Фосфор 3 Неорганический фосфат (PO4) Компонент нуклеиновых кислот, нуклеотидов, фосфолипидов, LPS, тейхоевых кислот Сера 1 SO4, H2S, So, сера органических соединений Компонент цистеина и метионина, глутатиона, нескольких коферментов Калий 1 Соли калия Основной неорганический клеточный катион и кофактор некоторых энзимов Магний 0.5 Соли магния неорганический клеточный катион, кофактор некоторых ферментативных реакций Кальций 0.5 Соли кальция неорганический клеточный катион, кофактор некоторых ферментов и компонент эндоспор Железо 0.2 Соли железа Компонент цитохромов и некоторых негемовых железосодержащих белков и кофакторы некоторых ферментативных реакций N1

Катаболизм Источник энергии Анаболизм Фотосинтез Биополимеры (напр. белки) Свет Фотосинтетические механизмы Внутриклеточный пул предшественников Внеклеточные питательные вещества АДФ Биосинтетические промежуточные соединения АДФ Тепло АТФ АТФ Тепло Конечный продукт

Метаболизм прокариот. Метаболизм – совокупность ферментативных процессов, протекающих в клетке и обеспечивающих её энергетические и биосинтетические потребности. Энергетический метаболизм (катаболизм) – поток реакций, сопровождающийся мобилизацией энергии и преобразованием её в электрохимическую или химическую форму,которая затем используется во всех энергозависимых процессах. Конструктивный метаболизм (биосинтез, анаболизм) – поток реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клетки и при этом используется запасённая клеткой энергия.

Метаболизм прокариот В зависимости от источника углерода для конструктивного метаболизма микроорганизмы делятся на автотрофы и гетеротрофы. В зависимости от источника энергии – на фототрофы и хемотрофы. В зависимости от источника электронов в энергетическом процессе – на литотрофы и органотрофы.

Table 2. Основные пищевые типы прокариот Пищевой тип Источник энергии Источник углерода Примеры Фотоавтотрофы Свет CO2 Цианобактерии, некоторые Пурпурные и Зеленые бактерии Фотогетеротрофы Свет Органичес-кие вещества Некоторые Пурпурные и Зеленые бактерии Хемоавтотрофы или Литотрофы (Литоавтотрофы) Неорганические соединения, например H2, NH3, NO2, H2S CO2 Немногие бактерии и многие Археа Хемогетеротрофы или гетеротрофы Органические вещества Органичес-кие вещества Большинство бактерий и некоторые Археа

Метаболизм прокариот Факторы роста – вещества,которые прокариоты по каким-либо причинам не могут синтезировать самостоятельно из используемого источника углерода (аминокислоты, пурины, пиримидины, витамины и др.). Такие вещества добавляют в питательные среды в готовом виде в небольших количествах. Микроорганизмы, которым в дополнение к основному источнику углерода необходимы факторы роста, называются ауксотрофы. Микроорганизмы, которые синтезируют все необходимые органические соединения из основного источника углерода самостоятельно, называются прототрофы.

Table 3. Общие витамины, требующиеся в питании некоторым бактериям. Витамин Коферментная форма Функция p-Аминобензой-ная кислота (PABA) - Предшественник биосинтеза фолиевой кислоты Фолиевая кислота Тетрагидрофолат Перенос одноуглеродных соединений необходимых для синтеза тимина, пуриновых оснований, серина, метионина и пантотената Биотин Биотин Биосинтетические реакции для CO2 фиксации Липоевая кислота Липоамид Перенос ацильных групп при окислении кeтoкислот Меркаптоэтан-сернистая кислота Кофермент M CH4 продукция при метаногенезе Никотиновая кислота NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) и NADP Перенос электронов при дегидрогеназных реакциях Пантотеновая кислота Кофермент A и Ацил- транспортный протеин (ACP) Окисление кетокислот и перенос ацильных групп в метаболических реакциях Пиридоксин (B6) Пиридоксальфосфат Трансаминирование, дезаминирование, декарбоксилирование и рацемирование аминокислот Рибофлавин (B2) FMN (flavin mononucleotide) и FAD (flavin adenine dinucleotide) Окислительно-востановительные реакции Тиамин (B1) Тиаминпирофосфат (TPP) Декарбоксилирование кетокислот и реакции трансаминирования B12 Кобаламин, связанный с адениновым нуклеозидом Перенос метильных групп K Хиноны и нафтохиноны Электронтранспортные процессы

Table 4a. Минимальная питательная среда для роста Bacillus megaterium. Пример химически-определенной питательной среды для роста гетеротрофных бактерий. Компонент Количество Функция компонента Сахароза 10.0 г Источник энергии и С K2HPO4 2.5 г pH буфер; источник P и K KH2PO4 2.5 г pH буфер; источник P и K (NH4)2HPO4 1.0 г pH буфер; источник N и P MgSO4 7H2O 0.20 г Источники S и Mg++ FeSO4 7H2O 0.01 г Источник Fe++ MnSO4 7H2O 0.007 г Источник Mn++ вода 985 мл pH 7.0

Table 4b. Синтетическая питательная среда (также среда обогащения) для роста литотрофных бактерий (Thiobacillus thiooxidans). Компонент Количество Функция компонента NH4Cl 0.52 г Источник N KH2PO4 0.28 г Источник P и K MgSO4 7H2O 0.25 г Источник S и Mg++ CaCl2 2H2O 0.07 г Источник Ca++ S 1.56 г Источник энергии CO2 5%* Источник C Вода 1000 мл pH 3.0 * Периодически среду продувают воздухом с 5% CO2.

Table 5a. Комплексная питательная среда для роста требовательных бактерий. Компонент Количество Функция компонента Мясной экстракт 1.5 г Источник витаминов и других факторов роста Дрожжевой экстракт 3.0 г Источник витаминов и других факторов роста Пептон 6.0 г источник аминокислот, N, S, и P Глюкоза 1.0 г Источник C и энергии Агар 15.0 г Инертный уплотняющий агент Вода 1000 мл pH 6.6

Табл 6. Термины, описывающие отношения микроорганизмов к O2. Условия среды Группа Аэробиоз Анаэробиоз O2 эффект Облигатные аэробы Рост Нет роста Требуется (используется для аэробного дыхания) Микроаэрофилы Рост, если уровень O2 не слишком высок Нет роста Требуется но при уровне ниже 0.2 атм Облигатные анаэробы Нет роста Рост Токсичен Факультативные анаэробы Рост Рост Не требуется для роста, но используется когда доступен Аэротолерантные анаэробы Рост Рост Не требуется и не используется

Table 7. Распределение супероксид дисмутазы, каталазы и пероксидазы в прокариотах с различным уровнем толерантности к O2. Группа супероксид дисмутаза Каталаза Пероксидаза Облигатные аэробы и большинство факультативных анаэробов (напр. Энтеробактерии) + + - Большинство аэротолерантных анаэробов (напр. Streptococci) + - + Облигатные анаэробы (напр. Clostridia, Methanogens, Bacteroides) - - -

[O2-] + [O2-] + 2H+ O2 + H2O2 Cупероксид дисмутаза Пероксидаза Каталаза Н2О NADH + H+ NAD+ 2H2O 2H2O + O2 . . O=O 1e- Хинолы или FAD и FMN- зависимые ферменты (неспецифические)

Культивирование анаэробных микроорганизмов.

Фигура 2. Уровни pH окружающей среды для роста трех классов прокариот. Большинство свободноживущих бактерий выращивают в диапазоне pH приблизительно три единицы. Обратите внимание на симметрию кривых ниже и выше оптимума pH для роста. Относительная скорость роста Ацидофилы Нейтрофилы Алкалофилы 1 7 12 рН

Table 8. Минимум, максимум и оптимум pH для роста некоторых бактерий. Организмы Минимум рН Оптимум pH Максимум pH Thiobacillus thiooxidans 0.5 2.0-2.8 4.0-6.0 Sulfolobus acidocaldarius 1.0 2.0-3.0 5.0 Bacillus acidocaldarius 2.0 4.0 6.0 Zymomonas lindneri 3.5 5.5-6.0 7.5 Lactobacillus acidophilus 4.0-4.6 5.8-6.6 6.8 Staphylococcus aureus 4.2 7.0-7.5 9.3 Escherichia coli 4.4 6.0-7.0 9.0 Clostridium sporogenes 5.0-5.8 6.0-7.6 8.5-9.0 Erwinia caratovora 5.6 7.1 9.3 Pseudomonas aeruginosa 5.6 6.6-7.0 8.0 Thiobacillus novellus 5.7 7.0 9.0 Streptococcus pneumoniae 6.5 7.8 8.3 Nitrobacter sp 6.6 7.6-8.6 10.0

Table 9. Термины используемые для описания температурных характеристик микроорганизмов. Группа Минимум Oптимум Mаксимум Комментарии Psychrophile Ниже 0 10-15 Ниже 20 Рост лучше при относительно низкой T Psychrotroph 0 15-30 Выше 25 Способны расти при низких T, но предпочитает умеренные T Mesophile 10-15 30-40 Ниже 45 Большинство бактерий обитающих в симбиозе с теплокровными Thermophile 45 50-85 Выше 100 (кипение) Среди всех thermophiles существуют широкие вариации в оптимуме, максимуме и минимуме T

Уровень роста в зависимости от температуры для четырех классов бактерий окружающей среды. Большинство бактерий растут в температурном диапазоне равном, приблизительно, 30 градусам. Кривые показывают три кардинальные точки: минимум, оптимум и максимум температуры для роста. Имеется устойчивое увеличение уровня роста между минимальными и оптимальными значениями температуры, но резкое снижение уровня роста с приближением Т к максимуму. Генерации/час Экстремальные термофилы (Thermococcus) Термофилы (Thermus) Мезофилы (Eschrichia) Психрофилы (Flavobacterium)

ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ БАКТЕРИЙ НА ГРУППЫ ПО ОТНОШЕНИЮ К ТЕМПЕРАТУРЕ. ПСИХРОФИЛЫ – оптимум менее 20 ⁰ С - Vibrio marinus - Pseudomonas fluorescens - Yersinia enterocolitica МЕЗОФИЛЫ - оптимум 30 - 40 ⁰ С ТЕРМОФИЛЫ - оптимум 45 - 65 ⁰ С - Bacillus stearotermophilus - Thermoactinomyces vulgaris

Table 10a. Минимум, максимум и оптимум температуры для роста некоторых бактерий и archaea. Температура для роста (Cо) Бактерии Mинимум Oптимум Maксимум Listeria monocytogenes 1 30-37 45 Vibrio marinus 4 15 30 Pseudomonas maltophilia 4 35 41 Thiobacillus novellus 5 25-30 42 Staphylococcus aureus 10 30-37 45 Escherichia coli 10 37 45 Clostridium kluyveri 19 35 37 Streptococcus pyogenes 20 37 40 Streptococcus pneumoniae 25 37 42 Bacillus flavothermus 30 60 72 Thermus aquaticus 40 70-72 79 Methanococcus jannaschii 60 85 90 Sulfolobus acidocaldarius 70 75-85 90 Pyrobacterium brockii 80 102-105 115

РОСТ – координированное увеличение размеров и веса клетки. РАЗМНОЖЕНИЕ –увеличение во времени числа клеток микроорганизмов в питательной среде. Изменение численности популяции микроорганизмов выражается кривой роста.

Время генерации (время удвоения) для разных видов прокариот в благоприятных условиях Escherichia coli & 20 мин Staphylococcus aureus Borrelia hermsii 8ч Mycobacterium tuberculosis 14-16 ч Treponema pallidum 33 ч Mycobacterium leprae 21 день