Глава 3. Физиология микробов

Физиология бактерий — раздел микробиологии, изучающий процессы жизнедеятельности микробов: питание, дыхание, обмен веществ, движение, рост, размножение и взаимодействие бактерий с окружающей средой.

Начало системному научному подходу к изучению проблемы физиологии микробов положил Луи Пастер. В 1862 г. появилось его первое сообщение об уксуснокислом брожении, а затем и работы «Исследование о вине» (1866), «Исследования о пиве» (1876), где фактически был обобщен опыт производства пищевых продуктов и результаты многолетних исследований самого Луи Пастера, с которых начались научно обоснованное виноделие и пищевая микробиология. Сегодня уже хорошо известно, что в продуктах виноделия, молочных и некоторых других продуктах содержатся вещества, образуемые в результате жизнедеятельности микробов, но впервые это положение было доказано великим французским ученым Луи Пастером.

Луи Пастер (1822–1895)

Большой вклад в развитие физиологии и экологии бактерий внес наш соотечественник Сергей Николаевич Виноградский. Он первым доказал, что существуют особые микробы (аноргоксиданты), получающие энергию в результате окисления неорганических веществ. Образуемая энергия используется на ассимиляцию углекислого газа или карбонатов. Основанный на этом процесс усвоения углекислого газа называют хемосинтезом.

В 1893 г. С.Н. Виноградский впервые выделил из почвы анаэробную спороносную бактерию Clostridium pasteurianum, усваивающую молекулярный азот из атмосферы, и заложил основы изучения азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий, что сыграло важную роль в развитии современной агробиологии.

Сергей Николаевич Виноградский (1856–1953)

Вскоре оказалось, что изучение физиологии микробов, их метаболизма крайне необходимо и для понимания механизмов возникновения и развития инфекционных болезней, постановки микробиологического диагноза, профилактики и лечения инфекционных заболеваний.

Метаболизм — совокупность реакций жизнеобеспечения, происходящих в микробной клетке при участии биологических катализаторов — ферментов.

Ферменты — высокоактивные биологические молекулы, способные к многократному взаимодействию с определенным субстратом. Понятие «субстрат» включает питательные вещества, поступающие в клетку, участвующие в реакциях метаболизма и являющиеся точкой приложения или объектом действия ферментов. В результате последовательных ферментативных реакций субстраты расщепляются, образуя метаболиты — промежуточные или конечные продукты метаболизма.

Особенность метаболизма бактерий заключается в его крайне высокой интенсивности, что обусловлено следующими причинами:

• Интенсивность метаболизма прямо пропорциональна отношению площади цитоплазматической мембраны к объему клетки (правило Рубнера). Чем больше площадь поверхности мембраны клетки и меньше объем клетки, тем более интенсивно протекают обменные процессы.
• Бактерии — самые ферментативно насыщенные биологические системы. Они синтезируют до 3000 белков, основная часть которых — ферменты, поэтому ферментативная активность бактерий огромна: внутри бактериальной клетки происходит до 109–1012 реакций в минуту.
• Клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана бактериальной клетки характеризуются высокой проницаемостью. Через клеточную стенку грамположительных бактерий проходят молекулы с молекулярной массой 5–10 кДа, а через клеточную стенку грамотрицательных бактерий — макромолекулы с молекулярной массой в 10–50 кДа (для сравнения: у эукариот через цитоплазматическую мембрану проникают молекулы с молекулярной массой не более 4–5 кДа).
• Бактерии обладают способностью выделять ферменты в окружающую среду (внеклеточное расщепление субстрата). Экзоферменты расщепляют сложные молекулы субстрата до более мелких: белки — до аминокислот, углеводы — до моносахаров, липиды — до глицерина и жирных кислот, нуклеиновые кислоты — до пуриновых и пиримидиновых оснований, способных пройти через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану внутрь клетки.

Большинство ферментов представляет собой специфические функциональные белки третичной или четвертичной структуры, связанные с каким-либо сахаром, то есть по химической природе ферменты — это гликопротеины. Они состоят из белковой части (апофермента) и простетической группы (кофермента), которая взаимодействует с субстратом.

По функциям ферменты микробов разделяют на шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, изомеразы, лиазы, лигазы.

По расположению ферменты микробов делят на экзоферменты и эндоферменты. Экзоферменты, выделяясь в окружающую среду, расщепляют макромолекулы до более простых веществ, способных пройти в клетку. Выделение ферментов в окружающую среду — универсальное свойство бактерий. Благодаря этому они утилизируют практически все, что существует в природе: железо, нефть, резину и т.д. В отличие от экзоферментов, эндоферменты функционируют внутри клетки (например, ферменты дыхательной цепи).

По представительству ферменты делят на конститутивные, постоянно синтезируемые в клетке (например, ферменты гликолиза), и индуцибельные, синтезируемые в клетке только при наличии субстрата (например, фермент транспорта лактозы β-галактозидпермеаза и др.).

Каждый микроб имеет определенный набор ферментов, который генетически запрограммирован и достаточно постоянен, что можно использовать при определении вида (идентификации) бактерий. Идентификацию бактерий по биохимической активности (набору экзоферментов) проводят на дифференциально-диагностических средах Гисса («пестрый» ряд) (рис. 3.1).