МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Челябинский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ЧелГУ»)
Биологический факультет
Кафедра микробиологии, иммунологии и общей биологии
РЕФЕРАТ
ТЕМА:
«Адгезивные свойства микроорганизмов: экологическое и эпидемиологическое значение»
Выполнил студент
Кузнецова Анастасия Владимировна
Челябинск 2022
Перечень сокращений
Грам (+) - Грамположительные организмы
Грам (-) - Грамотрицательные организмы
pH - кислотность среды
Введение
В наше время в современной микробиологии актуальным является изучение адгезивного процесса различных микроорганизмов. Проблема адгезии привлекает внимание исследователей как с точки зрения ее биологического значения в механизмах, связанных с развитием различных инфекционных заболеваний, вызванных бактериями, а также и с экологической точки зрения, так как микроорганизмы выполняют огромную роль в биосфере. Нередко встречаются формы микроорганизмов, которые могут в естественной среде существовать лишь в прикрепленном состоянии. Если микроорганизм не прикрепится к какому-либо субстрату, он не сможет обеспечивать все жизненно-важные функции организма, что влечет за собой последствия не только для микроорганизма, но и для макроорганизмов и в целом для живой системы.
Цель - изучить эпидемиологическое и экологическое значение адгезивных свойств бактерий.
Задачи:
Изучить механизмы работы адгезии;
Выделить, в соответствии с актуальными проблемами, значение адгезивных свойств микроорганизмов в эпидемиологии;
Выделить, в соответствии с актуальными проблемами, значение адгезивных свойств микроорганизмов в экологии.
Основная часть
Механизмы адгезии
Адгезия микроорганизмов (microorganisms adhesion) [лат. adhaesio -- прилипание; греч.mikros -- маленький и лат. organismus -- живое тело, живое существо] -- способность микроорганизмов адсорбироваться на твердых поверхностях и чувствительных клетках с последующей колонизацией.
Следует отметить, что от адгезивных свойств во многом зависят стабильность и защитные свойства микрофлоры макроорганизма.
Для практических целей выделяют выделяют две группы механизмов адгезии: неспецифические и специфические.
Все естественные поверхности, встречающиеся в природе несут электрические заряды, главным образом, отрицательные, вследствие частичного депротонирования кислотных функциональных групп. Бактериальная поверхность заряжена отрицательно. У грамотрицательных бактерий это обусловлено присутсвием кислых липополисахаридов и белков в наружной мембране, у грамположительных - тейхоевых и липотейхоевых кислот [1].
Неспецифическая адгезия опосредована физико-химическими взаимодействиями бактерий с поверхностями. К ним относятся:
электростатические взаимодействия;
гидрофобные взаимодействия;
ван-дер Ваальсовы взаимодействия;
броуновское движение.
Неспецифическая адгезия, как правило, обратима. Осуществляется главным образом благодаря взаимодействию разноименно заряженных поверхностей. В результате этого взаимодействия клетки могут прикрепляться почти к любой поверхности. Однако в основном происходит взаимодействие бактерий с одноименно отрицательно заряженными поверхностями почвенных частиц, стекла и т. п. В этих случаях прикрепление бактерии к поверхности зависит от соотношения между энергией притяжения сил Ван-дер-Ваальса и энергией отталкивания отрицательно заряженных поверхностей.
Это притяжение является полностью небиологическим, так как ему подвергаются и мертвые клетки. Гидрофобные свойства поверхности бактериальных клеток дают им возможность преодолевать электростатический барьер эпителия и обуславливают, таким образом, первый неспецифический этап взаимодействия. Для прокариот характерна четкая корреляция гидрофобных и адгезивных свойств.
Специфическая адгезия происходит в результате молекулярных взаимодействий между адгезином микробной клетки и рецептором клетки хозяина. Является, как правило, необратимой.
Адгезины [лат. adhaesio - прилипание и -in(e) -- суффикс, обозначающий «подобный»] - общее название специализированных поверхностных белков и клеточных структур, определяющих процесс адгезии. У микроорганизмов (бактерий) в адгезии принимают участие пили или фимбрии, содержащие специфические адгезивные белки (интимины, YadA, Inv, Ail, pH6 антиген) и кислоты (липотейхоевые кислоты). Белки распознают углеводные структуры - рецепторы на эукариотических клетках, эритроцитах, способны связываться с гликопротеинами.
Под рецептором подразумевают структуру, комплементарную адгезину и находящуюся на поверхности эукариотической клетки. Функцию рецепторов в процессе адгезии выполняют карбогидраты или пептидные (белковые) фрагменты, локализованные на мембране эукариотических клеток.
Сближение бактерильной клетки в субстратом вызывает изменение ее формы и перераспределение заряженных и незаряженных групп на контактирующей клеточной поверхности. В итоге зона контакта растет. Этот процесс, как и притяжение, обратим, но характерен только для живых клеток. Специфическая адгезия происходит после молекулярных взаимодействий между адгезином клетки и рецептором клетки хозяина.
Специфическая адгезия - один из частных случаев универсального биологического механизма: лиганд-рецепторных взаимодействий, участвующих в реакции антиген - антитело, передаче гормональных и нейросигналов и в ряде других процессов. Основу таких взаимодействий составляет пространственная комплементарность взаимодействующих структур. Для ее описания обычно используют аналогию "ключ-замок".
Адгезины часто являются лектинами - протеинами, способными связываться с карбогидратами.
Представители двух основных таксономических групп микроорганизмов - грамположительные и грамотрицательные бактерии - используют различные стратегии специфической адгезии. У грамотрицательных микроорганизмов молекулы адгезинов входят в состав специализированных органелл - ворсинок (фимбрий, пилей), вследствие чего они названы фимбриальными адгезинами [5].
Ворсинки представляют собой тонкие и длинные белковые структуры диаметром около 10 нм и длиной несколько сотен нанометров. Дистальная часть ворсинки представлена еще более тонкой фибриллой, на конце которой располагается молекула собственно адгезина. У грамотрицательных бактерий различают несколько типов ворсинок. Основой классификации служат структура ворсинок, рецептор связывания и механизм сборки. Один штамм микроорганизмов может обладать несколькими типами ворсинок.
Пили - разновидность ворсинок, осуществляющих контакт между микробными клетками в процессе конъюгации.
У грамположительных бактерий фимбриальные адгезины не описаны. Эти микроорганизмы осуществляют адгезию посредством афимбриальных адгезинов. Структура многих афимбриальных адгезинов не установлена, большинство из известных являются белковыми молекулами, связанными с цитоплазматической мембраной микробной клетки. Рецепторами для адгезинов грам(+) бактерий чаще всего являются фибронектин и белки межклеточного матрикса. Афимбриальные адгезины описаны и у грам(-) бактерий.
Фимбриальные адгезины обеспечивают более эффективную адгезию, чем афимбриальные. Они оказываются локализованными на длинной тонкой ножке, что облегчает их контакт с рецептором и, вероятно, позволяет преодолевать барьер "нормальной" микрофлоры и другие защитные механизмы.
Экологическое значение
Адгезия микроорганизмов представляется важной экологической чертой существования микроорганизмов. Она экологически оправдана, и без адгезии микробы не могли бы нормально существовать в почве: во-первых, адгезия помогает микробам удержаться в почвенном профиле и не подвергаться вымыванию в нижележащие горизонты; во-вторых, адгезированные клетки оказываются на границе раздела твердого тела и жидкости, где сосредоточены основные питательные вещества.
Адгезия оказывает благоприятное влияние на жизнедеятельность бактерий в бедной среде прежде всего потому, что поверхность раздела фаз обладает свободной энергией. Эта свободная энергия влияет на распределение ионов, макромолекул и коллоидов, оказавшихся вблизи поверхности, в результате чего на поверхности скапливаются питательные вещества, в том числе органические. Так, на поверхности стекла, погруженного в воду, можно обнаружить от 2 до 27% всего органического вещества, содержащегося в воде. Твердая поверхность также препятствует рассеиванию экзоферментов и продуктов гидролиза органического вещества, которые концентрируются на поверхности вблизи прикрепленных клеток и оказываются более доступными для них, чем для свободных клеток.
Развивающиеся на твердой поверхности бактерии находятся в своеобразных условиях, в ином физическом и химическом окружении, чем плавающие клетки. На поверхности субстрата несколько иное значение pH, иная водная активность, чем в окружающей среде.
Адгезия имеет и более целенаправленное значение. Бактерии, использующие в качестве пищи определенный твердый субстрат, обычно только к нему и прикрепляются: так, бактерии, использующие целлюлозу, преимущественно адгезируются на целлюлозе, использующие крахмал -- на крахмале, окисляющие серу -- на ее кристаллах или каплях. Микробы, утилизирующие углеводороды, также избирательно адгезируются на них, а клубеньковые бактерии и фитопатогенные микроорганизмы избирательно адгезируются на корнях растений-хозяев. Обычно микроорганизмы по-разному адгезируются на разных стадиях своего развития. Есть стадии, на которых они находятся в свободном состоянии, и есть стадии, на которых они ведут прикрепленный образ жизни. Некоторые микробы переходят в адгезированное состояние в стадиях покоя, другие, наоборот, в активном состоянии адгезируются, а в стадиях покоя могут находиться в свободном состоянии.
Рассмотрим подробнее роль микроорганизмов, способных к адгезии, в биосфере на примерах некоторых представителей.
Серобактерии или тиобактерии (бактерии, окисляющие серу)
Субстрат для адгезии: кристаллы или капли серы.
Представитель: Класс Alphaproteobacteria; Род Thiosphaera
Энергию для синтеза органических веществ они получают, окисляя сероводород.
Известны симбиозы сульфидокисляющих бактерий с трубчатыми червями и моллюсками, обитающими в донных гидротермах, а также с моллюсками, морскими ежами и другими беспозвоночными, обитающими на границе кислородной и бескислородной зоны литоральных илов.
Илы, содержащие серобактерий, применяют для очистки сточных вод от сероводорода (за счёт превращения его в сульфат), а также для выщелачивания сульфидных руд.
Закисление почв, прежде богатых сульфидами, в результате деятельности сульфидокислителей бывает весьма значительным (до pH = 1), что делает такие почвы непригодными для растений. Также известны случаи коррозии бетонных конструкций (например, канализационных труб) с участием этих бактерий -- бетон содержит серу, которую серобактерии окисляют до сульфата, что повышает концентрацию протонов в растворе у поверхности труб -- что, в свою очередь, ведёт к растворению карбонатов, входящих в состав бетона, и к интенсивному разрушению труб
Целлюлозоразрушающие бактерии.
Субстрат для адгезии: целлюлоза.
Представитель: актинобактерии рода Cellulomonas, являющиеся факультативными анаэробами, плесневые грибы -- это, например, Chaetomium globosum, Stachybotrys echinata
Наиболее распространенным углеродным соединением в природе является целлюлоза (клетчатка). Целлюлоза составляет от 15 до 60% массы растений, в хлопке и льне содержание целлюлозы достигает 80-95%.
Разложение целлюлозы микроорганизмами является самым большим по масштабам естественным деструкционным процессом, звеном круговорота углерода, обеспечивающего возврат фиксированного в процессе фотосинтеза углерода в атмосферу в виде СО2.
Глобальная роль микроорганизмов в этом процессе определяется тем, что ни животные, ни растения, как правило, не способны разлагать целлюлозу.
Крахмал-разрушающие энзимы микроорганизмов
энзим микроорганизм адгезия
Субстрат для адгезии: крахмал.
Крахмал-разрушающие энзимы используются как детергенты в стиральных и моющих средствах, а также античерствеющий и антислеживающий агент в хлебопечении.
Представители микроорганизмов, выделяемых эти ферменты: Bacillus subtilis, Bacillus staerothermophilus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus acidocaldarius, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium acerans.
Клубеньковые бактерии
Субстрат для адгезии: корни растений-хозяев.
Представитель: группа бактерий порядка Rhizobiales.
Проникнув в корневой волосок, они вызывают активное деление клеток корня, что приводит к появлению клубенька. В нём клубеньковые бактерии растут и превращаются в утолщённые, разветвленные формы -- так называемые бактероиды, наиболее интенсивно связывающие молекулярный азот.
Фиксируют в условиях симбиоза с растением молекулярный азот; при этом они продуцируют ряд физиологически активных веществ, благоприятно влияющих на бобовые растения. Клубеньковые бактерии играют важную роль в обогащении почвы азотом.