Разнообразие биохимических свойств бактерий

Изучение биохимических свойств бактерий постоянно дает почву для размышлений исследователям. Несмотря на общность химического состава, бактерии существенно отличаются по биохимическим свойствам – способности расщеплять питательные вещества, антибиотики, продуцировать витамины и ферменты, выделять в процессе жизнедеятельности различные газы. Изучение биохимических свойств бактериальных культур дает возможность разделять их при помощи специальных питательных сред, выяснять видовую принадлежность, разделять на штаммы. Это особенно актуально для молочнокислых бактерий, чистые культуры которых широко применяются в пищевой промышленности.

СИБ: индикаторные бумажные системы

Микробиология рекомендует проводить идентификацию бактериальных культур по совокупности нескольких их признаков и свойств, к числу которых относятся следующие.

  • морфологические;
  • культуральные;
  • биохимические;
  • серологические.

Методы изучения биохимических свойств молочнокислых и других бактерий – это исследование культур, индикаторные бумажные системы (СИБ) и микротесты, представляющие собой набор пластиковых лунок с индикаторами. Некоторые микроорганизмы можно идентифицировать по пигментообразованию – способности образовывать окрашенные колонии.

Из чего состоят клетки бактерий

Химический состав бактериальной клетки – это комплекс из нескольких групп веществ:

  1. Биогенные вещества. Это азот, углерод, водород и кислород. Их них состоят все органические вещества. Их доля в химсоставе молочнокислых бактерий составляет 95%.
  2. Макроэлементы. Их количество в клетках бактерий не превышает 5%. К их числу относятся фосфор, кремний, калий, магний, хлор, кальций, натрий.
  3. Микроэлементы. Несмотря на малое количество этих элементов в живых клетках, они играют существенную роль в ее жизнедеятельности, входя в состав биологически активных комплексов – пигментов, ферментных систем, участвуя в процессе фотосинтеза.
  4. Вода. Это от 70 до 90% биомассы бактерии.

Среди органических веществ, составляющих клетку бактерий, обнаружены белки (простые и сложные), липиды, тейхоевые кислоты, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Химический состав бактериальной клетки

Белки

Простые белки называются протеинами, более сложные, с сахарами или липидами в составе – протеидами. Существуют структурные белки, образующие элементы бактериальных клеток, обуславливающие их антигенную структуру, и функциональные или регуляторные, осуществляющие обменные процессы. Белковые цепочки состоят из звеньев – аминокислот. Некоторые из них уникальны для бактерий. Например, дипиколиновая кислота, обеспечивающая высокую устойчивость спор, диаминопимелиновая кислота, D-глутамин, D-аланин. Белки флагеллин и пилин образуют жгутики и ворсинки подвижных бактерий.

Большинство поверхностных антигенов бактерий, как свидетельствуют данные микробиологии, также являются белками. Уникальные биологические функции выполняют порины – белки, обеспечивающие транспорт веществ сквозь клеточные мембраны бактерий. Основой бактериальной клеточной стенки являются пептидогликаны – сложные белковые структуры, играющие роль гетерополимерного остова. Их состав имеет видоспецифичную структуру и его анализ позволяет проводить антигенное определение видовой принадлежности бактериальных культур.

Недавно было обнаружено уникальное биохимическое свойство бактериальных пептидогликанов – наряду с пирогенной способностью они способны останавливать развитие опухолей.

Различают липопротеиды, глюкопротеиды и нуклеопротеиды. Белки являются основными составляющими белковых фабрик бактерий – рибосом.

Липиды

Входят в цитоплазматические мембраны бактерий, а также составляют наружные оболочки грамотрицательных прокариот. Жирные кислоты являются видоспецифичными и их определение позволяет идентифицировать роды и виды этих микроорганизмов.

Липиды в бактериальной мембране

Липиды в бактериальной мембране

Наличие в липидах кислотоустойчивых жирных кислот придает им целый ряд биологических и биохимических свойств – устойчивость к воздействию спиртов, кислот и щелочей, солнечной радиации и дезинфицирующим растворам, избирательность по отношению к красителям, а также патогенность.

Тейхоевые кислоты

Линейные полимеры клеточных стенок грамположительных бактерий (в том числе молочнокислых), являясь их основными антигенами.

Углеводы

Полисахариды. Входят в состав клеточных стенок. Различают экзо- и эндоклеточные полисахариды. Первые, в свою очередь, бывают истинными, выходящими наружу клетки, и каркасными, входящими в состав капсул. Слизеподобные декстраны широко применяются в медицине – входят в состав кровезаменителей, используются в качестве молекулярных сит в хроматографии. Биологические и биохимические функции эндоклеточных полисахаридов состоят в создании внутриклеточных запасов питательных веществ.

Липополисахариды. Являются эндотоксинами (другое название – антигены) и состоят из липида, общего для грамотрицательных бактерий полисахаридного ядра и концевых (терминальных) цепочек (другое название – специфические боковые цепи). Обуславливают такие биохимические свойства бактерий, как антигенная специфичность и патогенность.

Нуклеиновые кислоты

ДНК, основной функцией которой является хранение и передача наследственной информации, содержится в нуклеоиде и плазмидах. ДНК нуклеоида молочнокислых бактерий осуществляет передачу генетической информации по вертикали – от поколения к поколению. Плазмидная ДНК позволяет бактериям обмениваться генами в течение их жизни – это называется горизонтальным переносом генов.

Строение бактериальной клетки: плазмиды

Основные биохимические свойства ДНК – это способность к репликации (самовоспроизведению) и транскрипции (образованию на ней матричных РНК, с которых в дальнейшем считываются белки).

РНК – основной компонент рибосом, в которых синтезируются бактериальные белки (рРНК). Существуют также мРНК и тРНК, осуществляющие доставку аминокислот в реакционный центр биосинтеза белка.

Ферменты бактерий и свойства культур

Биохимические свойства бактерий (в том числе молочнокислых) зависят от присутствующих в них ферментов – белковых структур, способных осуществлять определенные реакции обмена веществ. Изучение структуры белков всегда было тесно связано с микробиологией – культуральные методы изучения ферментов позволяют многое узнать об их специфичности, субстратах и продуктах.

Белковые комплексы, осуществляющие биохимические реакции в клетках молочнокислых и других бактерий, делятся на шесть основных классов:

  1. Оксидоредуктазы – ферменты окислительно-восстановительных реакций.
  2. Трансферазы – переносят группы атомов с одних молекул на другие.
  3. Гидролазы – ферменты гидролитических реакций – расщепления веществ с участием воды.
  4. Лиазы. Проводят отщепление от субстратов групп атомов негидролитическим путем – расщепляя и образовывая двойные связи.
  5. Синтетазы или лигазы. Ферменты, соединяющие две молекулы между собой, используя энергию АТФ.
  6. Изомеразы. Ферменты, способные создавать изомеры – варианты молекул одного состава, отличающихся различным пространственным расположением атомов и их групп.

Если классифицировать ферменты молочнокислых и других бактерий с точки зрения генетического контроля их работы, то можно различить три основные группы:

  1. Конститутивные – присутствуют в клетке постоянно.
  2. Индуцибельные – присутствуют только при наличии расщепляемого ими субстрата.
  3. Репрессибельные – отличаются тем, что их количество обратно пропорционально количеству продукта реакции.

Инвазивные биохимические свойства микроорганизмов зависят от наличия на их поверхности экзоферментов, облегчающих проникновение внутрь тканевых барьеров. Выделяясь во внешнюю среду, такие ферменты расщепляют антибиотики, повышают проницаемость тканей, разжижают слизистый барьер, помогают бактериям проникать внутрь клеток и в межклеточное пространство.

Ферменты бактерий

Для описания биохимических свойств бактериальных культур используется рабочая классификация по конечным продуктам и результатам работы ферментов. Поскольку ферментный состав клеток молочнокислых и других бактерий зависит от их генома, он является относительно постоянной величиной. Поэтому методы определения активных ферментов позволяют классифицировать колонии и определять их видовую принадлежность. Различают пять групп ферментативной активности бактериальных культур:

  • протеолитические,
  • сахаролитические,
  • оксилительно-восстановительные,
  • аутолитические,
  • патогенные.

Продуктами деятельности бактериальных культур могут являться различные кислоты (например, молочная и масляная кислота, выделяемая молочнокислыми бактериями), газы (углекислый, водород, сероводород), индол и другие.

Современные методы позволяют выделить основные факторы патогенности бактериальных культур. Таковыми факторами являются наличие в бактериальной клетке таких ферментов, как гиалуронидаза, лецитиназа, нейроаминидаза, плазмокоагулаза и некоторые другие.

Факторы патогенности микроорганизмов

Уникальные биохимические свойства некоторых бактериальных ферментов обусловили их широкое применение в биологических исследованиях. Так, например, в медицине широко применяются протеолитические и аутолитические ферменты, а в молекулярной генетике и генной инженерии – рестриктазы и лигазы, разрезающие и сшивающие цепочки нуклеиновых кислот.

Идентификация бактерий и их метаболизм

После изучения морфологии бактериальных клеток в окрашенных препаратах приступают к культуральному исследованию их ферментативной активности. Наиболее изученными у бактериальных культур являются сахаролитические и протеолитические ферменты. Физиолого-биохимические исследования бактериальной культуры позволяют выявить уникальные для отдельного вида или рода метаболические цепочки.

Среди характерных физиолого-биохимических свойств бактериальной культуры – способность избирательно растворять эритроциты различных видов животных (другое название этой реакции – гемолиз), сворачивать плазму (реакция плазмокоагуляции), растворять фибриновый сгусток (осуществлять фибринолиз).

После завершения изучения биохимических свойств патогенных бактерий проводят их серологическое определение при помощи реакции агглютинации с использованием высокоспецифичной иммунной сыворотки.

Похожие статьи:
Загрузка...

__________________________

Остались вопросы? Задайте их в комментариях к статье, мы обязательно ответим

  • Ефросинья

    Человек давно изучает бактерии, но и по сей день множество их свойств остаются загадкой, которую, возможно, удастся раскрыть будущим поколениям! Уверена, что именно свойства бактерий кроют в себе тайну — ответы на многие вопросы, которых люди пока не знают, и тщетно ищут их где-то в другом месте, а ответы гораздо ближе, чем нам кажется…

  • Спаржа

    Тут могу добавить, что бактерии не просто обитают на теле своего хозяина , но и тоже могут выполнять определенную работу. Как раз из-за содержания фермента их и распределяют на три группы — липолитические, сахаролитические и протеолитические. Первые расщепляют жиры, вторые занимаются расщеплением углеводов, а третьи, в свою очередь, расщепляют белки.