Практическое значение бактериофагов
Препараты бактериофагов применяются для диагностики, профилактики и лечения. Фагодиагностика основана на специфичности бактериофагов: видоспецифические бактериофаги лизируют только определенные виды бактерий. Более того, бактерии одного и того же вида различаются по чувствительности к разным типовым бактериофагам, Таким образом можно с помощью набора типовых бактериофагов определять фаговары стафилококков, сальмонелл, вибрионов. Фаготипирование помогает установить источник инфекции и пути передачи.
Лечебно-профилактическое действие фагов основано на их литической активности.
Для получения препарата бактериофага культуру бактерий заражают бактериофагом. На следующий день лишрованную культуру фильтруют через бактериальный фильтр. К фильтрату в качестве консерванта добавляют хинозол.
Для количественной характеристики бактериофагов используют такой критерий, как титр бактериофага. Титр фага можно выразить двумя показателями:
1) наибольшее разведение препарата, при котором бактериофаг лизирует соответствующие бактерии:
2) количество активных корпускул бактериофага в 1 мл препарата. Методы титрования бактериофага:
1) метод серийных разведении в пробирках с жидкой питательной средой по Аппсльману;
2) двуслойный агаровый метод, при котором подсчитывают число негативных колоний фага на фоне сплошного роста бактерий - метод Грациа.
Готовый жидкий препарат бактериофага должен быть совершенно прозрачным. При кишечных инфекциях препарат применяют вместе с раствором питьевой соды, так как кислое содержимое желудка разрушает бактериофаг. Препараты некоторых бактериофагов для инъекций и местного применения выпускают в ампулах. Для приема внутрь препараты бактериофагов выпускаются также в виде таблеток с кислотоустойчивым покрытием, которое в щелочной среде тонкого кишечника растворяется. В качестве покрытия применяется пектин или ацетилфталилцеллюлоза (ЛФП).
В нашей стране выпускаются препараты дизентерийного, сальмонеллезного, коли-протейного, стафилококкового и других бактериофагов, а также наборы типовых фагов для фаготипирования стафилококков, брюшнотифозных и других бактерий.
18. Питание бактерий. Типы питания. Механизмы переноса веществ в клетку. Факторы роста микроорганизмов
Как у всего живого, метаболизм микроорганизмов состоит из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих, но противоположных процессов - анаболизма, или конструктивного метаболизма, и катаболизма, или энергетического метаболизма.
Обмен веществ у микроорганизмов имеет свои особенности.
1) Быстрота и интенсивность обменных процессов. За сутки микробная клетка может переработать такое количество питательных веществ, которое превышает ее собственный вес в 30-40 раз.
2) Выраженная приспособляемость к изменяющимся условиям внешней среды.
3) Питание осуществляется через всю поверхность клетки. Прокариоты не проглатывают питательные вещества, не переваривают их внутри клетки, а расщепляют их вне клетки с помощью экзоферментов до более простых соединений, которые транспортируются в клетку.
Для роста и жизнедеятельности микроорганизмов обязательно наличие в среде обитания питательных материалов для построения компонентов клетки и источники энергии. Для микробов необходимы вода, источники углерода, кислорода, азота, водорода, фосфора, калия, натрия и других элементов. Требуются также микроэлементы: железо, марганец, цинк, медь для синтеза ферментов. Различные виды микробов нуждаются в тех или иных факторах роста, таких, как витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания.
В зависимости от способности усваивать органические или неорганические источники углерода и азота микроорганизмы делятся на две группы - аутотрофов и гетеротрофов.
Аутотрофы (греч. autos - сам, trophic - питающийся) получают углерод из углекислоты (СО2) или ее солей. Из простых неорганических соединений они синтезируют белки, жиры, углеводы, ферменты.
Гетеротрофы (греч. heteros - другой, trophic - питающийся) используют сложные органические соединения, такие как углеводы, спирты, аминокислоты, органические кислоты. Среди гетеротрофных микроорганизмов различают сапрофитов (греч. sapros - гнилой, phyton - растение) и паразитов. Сапрофиты используют мертвые органические соединения. Они широко распространены в природе, разлагают органические вещества, отбросы, участвуя таким образом в санитарной очистке окружающей среды. Паразиты живут и размножаются в тканях человека, животных, растений.
Микробы могут изменять свой тип питания с паразитического на сапрофитный. Их можно культивировать вне организма, на питательных средах. Среди прокариотов исключение составляют риккетсии и хламидии, которые могут жить только в живых клетках хозяина. Их называют строгими, или облигатными паразитами (лат. obligatus - обязательный). Облигатными паразитами являются также все вирусы.
В зависимости от источников энергии и природы доноров микроорганизмы подразделяют на фототрофы (фотосинтезирующие), способные использовать солнечную энергию, и хемотрофы (хемосинтезирующие), получающие энергию за счет окислительно - восстановительных реакций. К фототрофам относятся исключительно сапрофитные микроорганизмы. В патологии человека ведущую роль играют хемосинтезирующие микроорганизмы.
В зависимости от природы доноров электронов хемотрофы подразделяются на хемолитотрофы (хемоавтотрофы) и хемоорганотрофы (хемогетеротрофы).
В зависимости от источников азота - прототрофы - микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, АК и др.) из глюкозы и солей аммония. Ауксотрофы - микроорганизмы, не способные синтезировать какое - либо из указанных соединений. Они ассимилируют эти соединения и другие факторы роста в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина.
Транспорт питательных веществ
Через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану внутрь клетки прокариотов проникают только небольшие молекулы, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры вначале расщепляются экзоферементами до более простых соединений, которые транспортируются внутрь клетки.
Проникновение питательных веществ в клетку происходит с помощью различных механизмов.
Пассивная диффузия - вещества поступают в клетку за счет диффузии по градиенту концентрации, то есть вследствие того, что концентрация вне клетки выше, чем внутри.
Облегченная диффузия - также совершается по градиенту концентрации, но с участием ферментов-переносчиков, так называемых пермеаз. Этот фермент присоединяет к себе молекулы вещества на внешней стороне цитоплазматической мембраны и отдает его на внутренней стороне в неизмененном виде. Затем свободный переносчик перемещается снова к наружной стороне мембраны, где связывает новые молекулы вещества. При этом каждая пермеаза переносит какое-то определенное вещество.
Эти два механизма переноса не требуют энергетических затрат.
Активный перенос происходит также с участием пермеаз, причем осуществляется против градиента концентрации. Микробная клетка может накопить вещество в концентрации, в тысячи раз превышающих ее во внешней среде. Такой процесс требует затрат энергии, то есть расходуется АТФ.
Транслокация радикалов - это четвертый механизм передачи веществ. Это активный перенос химически измененных молекул, с участием пермеаз. Например, такое простое вещество, как глюкоза, переносится в фосфорилированном виде.
Выход веществ из бактериальной клетки происходит путем пассивной диффузии или путем облегченной диффузии с участием пермеаз.
Факторы роста микроорганизмов:
К факторам роста относят аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, липиды, витамины, железопорфирины (гем) и другие соединениями. Некоторые микроорганизмы самостоятельно синтезируют необходимые им ростовые факторы, другие получают их в готовом виде из окружающей среды. Потребность того или другого микроорганизма в определенных ростовых факторах является стабильным признаком, который используется для дифференциации и идентификации бактерий, а также при изготовлении питательных сред для лабораторных и биотехнологических целей.
Аминокислоты. Многие микроорганизмы, особенно бактерии, нуждаются в тех или других аминокислотах (одной или нескольких), поскольку они не могут их самостоятельно синтезировать, например клостридии -- в лейцине, тирозине, стрептококки -- в лейцине, аргинине и др. Такого рода микроорганизмы называются ауксотрофными по тем аминокислотам или другим соединениям, которые они не способны синтезировать.
Пуриновые и пиримидиновые основания и их производные (аденин, гуанин, цитозин, урацил, тимин и др.) являются факторами роста для разных видов стрептококков, некоторые азотистые основания нужны для роста стафилококков и других бактерий. В нуклеотидах нуждаются некоторые виды микоплазм.
Липиды, в частности компоненты фосфолипидов -- жирные кислоты, нужны для роста некоторых стрептококков, микоплазм. Все виды микоплазм ауксотрофны по холестерину и другим сте-ринам, что отличает их от других прокариот. Эти соединения входят в состав их цитоплазматической мембраны.
Витамины, главным образом группы В, входят в состав ко-ферментов или их простетических групп. Многие бактерии ауксотрофны по определенным витаминам. Например, коринебактерии дифтерии, шигеллы нуждаются в никотиновой кислоте или ее амиде, который входит в состав НАД и НАДФ, золотистый стафилококк, пневмококк, бруцеллы -- тиамине (ВО, входящем в состав пирофосфата, некоторые виды стрептококков, бациллы столбняка -- в пантотеновой кислоте, являющейся составной частью кофермента КоА и т. д. Кроме того, факторами роста для многих бактерий являются фолиевая кислота, биотин, а также темы -- компоненты цитохромов. Последние необходимы гемофильным бактериям, микобактериям туберкулеза и др.
Биологическое окисление (энергетический метаболизм)
Процесс биологического окисления дает энергию, необходимую для жизни клетки. Сущность процесса заключается в последовательном окислении субстратов с постепенным освобождением энергии. Энергия запасается в молекулах АТФ.
Окислению подвергаются углеводы, спирты, органические кислоты, жиры и другие вещества. Но для большинства микроорганизмов источником энергии служат гексозы, в частности, глюкоза.
У микроорганизмов существует два типа биологического окисления: аэробный и анаэробный. При аэробном типе участвует кислород, и этот процесс называется дыханием в строгом смысле слова. При анаэробном типе биологического окисления освобождение энергии из органических молекул происходит без участия кислорода и называется брожением.
Начальный этап анаэробного расщепления глюкозы с образованием пировиноградной кислоты (ПВК) происходит одинаково. Эта
кислота является тем центральным пунктом, от которого расходятся пути дыхания и многих видов брожений.
При аэробном типе дыхания пировиноградная кислота вступает в цикл трикарбоновых кислот. Водород ПВК поступает в дыхательную цепь. Это цепь окислительных ферментов (цитохромы и цитохромоксидаза). По цепи цитохромов передается водород и присоединяется к активированному под действием цитохромоксидазы кислороду с образованием воды. Конечные продукты аэробного окисления глюкозы - диоксид углерода (углекислота) и вода. В процессе дыхания на одну молекулу глюкозы образуется 38 молекул АТФ.
При анаэробном типе биологического окисления энергия образуется в результате брожений. При спиртовом брожении ПВК превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Конечным продуктом молочнокислого брожения является молочная кислота, маслянокислого брожения - масляная кислота. При процессах брожения на одну молекулу глюкозы образуется только 2 молекулы АТФ.
Микробную природу брожений впервые открыл и доказал Пастер. Изучая маслянокислое брожение, Пастер впервые столкнулся с возможностью жизни без кислорода, то есть с анаэробиозом. Он также установил явление, которое впоследствии было названо "эффектом Пастера": прекращение процесса брожения при широком доступе кислорода.
Анаэробиоз существует только среди прокариотов. Все микроорганизмы по типу дыхания делятся на следующие группы: облигатные аэробы, облигатные анаэробы, факультативные анаэробы, микроаэрофилы.
Облигатные аэробы размножаются только при наличии свободного кислорода. К ним можно отнести микобактерии туберкулеза, холерный вибрион, чудесную палочку. ,
Облигатные или строгие анаэробы получают энергию при отсутствии доступа кислорода. Они имеют неполный набор окислительно-восстановительных ферментов, у них нет цитохромной системы, поэтому у них не происходит полного окисления субстрата (глюкозы) до конечных продуктов - СО2 и Н2О. Более того, в присутствии свободного кислорода образуются токсические соединения: перекись водорода Н2О2 и свободный перекисный радикал кислорода О2. Аэробы при этом не погибают, так как продуцируют ферменты, разрушающие эти токсические соединения (супероксиддисмутазу и каталазу). Спорообразующие анаэробы в этих условиях прекращают размножение и превращаются в споры. Неспорообразующие анаэробы погибают даже при кратковременном контакте с кислородом.