17. Питание бактерий. Механизмы и типы питания. Аутотрофы и гетеротрофы. Факторы роста. Прототрофы и ауксотрофы.

По типу питания все живые организмы подразделяются на две группы:

- организмы, имеющие голозойный тип питания (характерен для животных, имеющих органы для принятия пищи, ее переваривания и выведения);

- организмы, имеющие голофитный тип питания (характерен для микробов, не имеющих органов для принятия пищи).

Питательные вещества у бактерий проникают через всю поверхность тела. При помощи гидролитических бактериальных экзоферментов осуществляется внешнее переваривание, то есть расщепляются белки, жиры и углеводы до простых молекул, которые поступают внутрь клетки и подвергаются в дальнейшем при необходимости воздействию эндоферментов.

По источнику углерода бактерии подразделяются на 2 группы:

- аутотрофы (греч. autos – сам, trophe - питание) - микроорганизмы, усваивающие углерод из неорганических соединений (углекислоты воздуха или карбонатов);

- гетеротрофы (греч. heteros – другой, trophe – питание) - микроорганизмы, использующие углерод органических соединений. Автотрофы, использующие для синтеза органических веществ энергию видимого света и инфракрасных лучей, называются фототрофами (фотосинтезирующими бактериями).

Гетеротрофы в зависимости от субстрата подразделяются на 2 подгруппы: - сапрофиты – микроорганизмы, живущие за счет использования углерода мертвых субстратов; - паразиты – микроорганизмы, живущие на поверхности или внутри организма хозяина и питающиеся за его счет.

Бактерии, для роста и размножения которых требуются дополнительные органические вещества, называются ауксотрофами. Такие дополнительные органические вещества называются факторами роста. К факторам роста относятся аминокислоты, витамины, пурины, пиримидины, пентозы, гексозы, липиды.

18. Дыхание бактерий. Аэробный и анаэробный типы дыхания. Брожение. Принципы культивирования аэробов и анаэробов. Важнейшие патогенные анаэробы.

Дыхание – это метаболический процесс получения энергии в реакциях окисления – восстановления путем последовательного переноса электронов от одного соединения к другому до конечного акцептора.

По типу дыхания бактерии подразделяются на несколько групп. Облигатные (строгие) аэробы растут и размножаются только при свободном доступе кислорода (например, микобактерии туберкулеза); они требуют для своего развития присутствия в среде культивирования не менее 20% кислорода. Факультативные анаэробы развиваются как при доступе кислорода воздуха, так и при его отсутствии (энтеробактерии). Они обладают смешанным типом метаболизма. Облигатные анаэробы растут и размножаются только в бескислородных условиях (возбудитель ботулизма).

Брожение – это процесс получения энергии, при котором донорами и акцепторами электронов служат органические соединения (углеводы, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания и др.).

Продуктами брожения являются органические кислоты, спирты, газы. Эти восстановленные конечные органические соединения выделяются в питательную среду и накапливаются в ней. В зависимости от природы конечных продуктов различают спиртовое, молочнокислое, муравьинокислое, маслянокислое брожение. Получение энергии путем брожения наблюдается у облигатных и факультативных анаэробов в бескислородной среде.

При культивировании анаэробных бактерий требуется создание условий с пониженным содержанием кислорода или полным его отсутствием. Для создания анаэробных условий используют различные методы. 1. Выращивание бактерий в средах под слоем вазелинового масла. 2. Выращивание культуры в высоком столбике агара. 3. Инкубирование посевов в герметически закрытых емкостях.

19. Организация бактериального генома. Мобильные генетические элементы бактерий. Роль мобильных генетических элементов в повышении вирулентности возбудителей и формировании лекарственной устойчивости.

Наследственная информация у бактерий закодирована в геноме, который представлен нуклеоидом (бактериальной хромосомой), а у некоторых бактерий дополнительно плазмидами.

В состав нуклеоида и плазмид могут входить мобильные элементы генома (подвижные генетические элементы), к которым относятся IS-последовательности и транспозоны. Хромосомные и плазмидные гены, а также мобильные генетические элементы являются функциональными единицами генома. Кроме того, каждая генетическая структура (нуклеоид, плазмида), способная к самостоятельной репликации, составляет единицу репликации или репликон.

1) Нуклеоид бактерий представляет собой двухцепочечную кольцевую суперспирализованную молекулу ДНК. Гены бактериальной хромосомы кодируют (определяют) жизненно важные для бактерии функции питания, дыхания, роста и размножения. У большинства бактерий нуклеоид представлен одной молекулой ДНК. У некоторых бактерий, например, у холерного вибриона нуклеоид образуют две молекулы ДНК, которые называют хромосомами.

2) Кроме нуклеоида у некоторых бактерий в клетке могут присутствовать плазмиды - небольшие автономные (внехромосомные) двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК. Плазмиды расположены в цитоплазме клетки и способны к самостоятельной репликации.

Выделяют автономные (не связанные с хромосомой бактерии) и интегрированные (встроенные в хромосому клетки) плазмиды.

Плазмиды также подразделяют на трансмиссивные (конъюгативные), способные передаваться посредством конъюгации, и нетра+нсмиссивные.

В соответствии с кодируемыми признаками выделяют следующие группы плазмид:

- F - плазмиды (половые факторы, плазмиды фертильности);

- R - плазмиды (факторы множественной лекарственной устойчивости);

- Tox - плазмиды (плазмиды патогенности или токсигенности), объединяющие Ent - плазмиды (контролируют синтез энтеротоксина) и Hly - плазмиды (контролируют синтез гемолизина);

- Col - плазмиды - факторы бактериоциногенности (детерминируют синтез бактериоцинов);

- D-плазмиды – плазмиды биодеградации.

F-плазмиды контролируют синтез F-пилей (половых ворсинок), способствующих непосредственному контакту бактерий-доноров (F + -клеток) с бактериями-реципиентами (F - -клетками). Такой контакт играет ведущую роль в передаче генетического материала при конъюгации бактерий.

1. Мобильные генетические элементы – участки ДНК, кодирующие ферменты и другие белки, обусловливающие их миграцию внутри генома (внутриклеточная подвижность) или между бактериальными клетками (межклеточная подвижность)

• Вставочные или инсерционные последовательности(IS – элементы) - короткие фрагменты ДНК, способные целиком перемещаться как из одного участка репликона в другой участок того же репликона, так и между репликонами. - не способны самостоятельно реплицироваться - Они не кодируют фенотипических признаков, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (ген транспозазы и ген репрессора)

IS-элементы одинаковы у разных бактерий и выполняют следующие функции:

- обеспечение рекомбинации транспозонов, плазмид и умеренных фагов с нуклеоидом бактериальной клетки и между собой;

- инактивация генов, расположенных в области интеграции IS-элемента;

- индукция мутаций при встраивании в бактериальную хромосому

• Транспозоны (Тn-элементы) - это сегменты ДНК, способные как и ISэлементы к перемещению внутри репликона и между репликонами. - содержат структурные гены, определяющие фенотипически проявляющиеся признаки (токсигенность, биохимические свойства, устойчивость к антибиотикам) и два концевых длинных инвертированных повтора, которые могут состоять из ISэлементов - не способны к самостоятельной репликации и проявляют свои свойства только в составе другого репликона

• Интегрон представляет собой систему захвата малых элементов ДНК (генных кассет) посредством сайт-специфической рекомбинации. В состав интегрона входит ген интегразы intI с промотором Р и участком встраивания attI. Генные кассеты содержат в основном ген антибиотикоустойчивости и сайт рекомбинации. Интеграза включает гены кассеты в интегрон таким образом, чтобы гены антибиотикоустойчивости могли экспрессироваться с промотора Р интегрона. Генные кассеты способны перемещаться с одного интегрона на другой.

Острова патогенности – это участки ДНК протяженностью не менее 10000 пар нуклеотидов, которые детерминируют синтез факторов патогенности. Острова патогенности располагаются вблизи генов тРНК.

20. Фенотипическая и генотипическая изменчивость микроорганизмов. Механизмы генотипической изменчивости микроорганизмов. Мутации. Типы мутаций. Фенотипическое проявление мутаций у микроорганизмов.

Фенотипическая изменчивость (ненаследственная, модификационная) - это изменение свойств бактерий под влиянием факторов внешней среды без изменения их генетического аппарата. Это приспособительные реакции бактерий на изменение условий внешней среды. Характерные черты фенотипической изменчивости: 1. Сохранение исходного генотипа и отсутствие передачи по наследству. 2. Причины фенотипической изменчивости - влияние внешних факторов (биологических, химических, физических), блокирующих на время нормальную работу какого-либо фермента. 3. Реверсия к исходным признакам при восстановлении нормальных условий культивирования.

Проявления фенотипической изменчивости: - изменение морфологических признаков (формы и размера клеток, утрата капсулы, жгутиков); - изменение культуральных свойств (диссоциация культур, образование R- и S-форм колоний); - изменение биохимической активности.

Мутации – это скачкообразные изменения свойств бактерий. Мутация – это качественное или количественное изменение первичной структуры ДНК, в результате которого утрачивается или изменяется какой-либо признак или группа признаков. Эти изменения могут возникать под влиянием эндогенных или экзогенных факторов. Классификация мутаций:

1. По происхождению: - спонтанные (внутренние) мутации; - индуцированные (внешние) мутации.

2. По протяженности: - точечные мутации; - генные мутации; - хромосомные мутации.

3. По направленности: - прямые мутации; - обратные мутации.

4. По локализации: - хромосомные мутации; - плазмидные мутации.

5. По функции: - летальные мутации; - сублетальные мутации; - нейтральные мутации.

6. По фенотипу: - морфологические мутации; - функциональные мутации (резистентность, ауксотрофность).

Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием внутренних (эндогенных) факторов в результате ошибок ДНК-полимеразы во время репликации ДНК или в результате недостаточности механизмов репарации. Наиболее распространенным типом спонтанных мутаций у бактерий является ауксотрофность, то есть утрата способности к синтезу какого-либо соединения.

Индуцированные (направленные) мутации возникают под действием внешних химических, физических или биологических факторов. Физические факторы, вызывающие мутации, называются мутагенными факторами. К ним относятся УФ-излучение, γизлучение, температура. Химические вещества, вызывающие мутации, называются мутагенами. К мутагенам относятся, в частности, соли азотистой кислоты, акридиновые красители, оксилители, производные нитрофурановогоряда, аналоги азотистых оснований.