Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

ны. Многие из них вызывают порчу пищевых продуктов при низких

температурах. Оптимум для роста факультативных психрофилов со-

ответствует 25–30 ºС, т.е. они способны расти в условиях, благопри-

ятных для мезофильных организмов. К этой группе относятся некото-

рые виды бактерий родов Pseudomonas, Arthrobacter и др.

Способность психрофилов развиваться при низкой температуре

связывают с особенностями строения их клеток:

- температурный оптимум активности ферментов у них ниже, чем

у аналогичных ферментов мезофильных микроорганизмов. При от-

клонении температуры от оптимальной активность большинства фер-

ментов психрофилов значительно быстрее падает при повышении

температуры, чем при ее понижении. Тем не менее некоторые фер-

менты психрофилов при повышении температуры усиливают свою

активность. Это ферменты, вызывающие деградацию или разрушение

клеточных макромолекул. Это может быть одной из причин термо-

чувствительности облигатных психрофилов;

- проницаемость их мембран остается высокой при охлаждении

благодаря содержанию в липидах ненасыщенных жирных кислот,

вследствие чего мембраны не застывают и остаются полужидкими;

- белоксинтезирующий аппарат психрофилов способен функцио-

нировать при низких температурах.

К термофильным относят микроорганизмы, которые растут при

температуре выше 45–50 ºС. Группу термофилов делят на 4 подгруп-

пы:

1) термотолерантные – растут в пределах от 10 до 55–60 ºС, оп-

тимальная область лежит при 35–40 ºС (как у мезофилов). Основное

их отличие от мезофилов – способность расти при повышенных тем-

пературах. Примером термотолерантных бактерий являются бактерии

вида Methylococcus capsulatus.

2) факультативные термофилы имеют температурный макси-

мум 50–65 ºС и минимум менее 20 ºС, оптимум приходится на область

температур близких к верхней границе роста. Примером факультатив-

ных термофилов являются гомоферментативные молочнокислые бак-

терии рода Lactobacillus. Они обитают на поверхности многих расте-

ний, откуда они попадают в различные продукты – их легко обнару-

жить в молочных продуктах, солениях, маринадах, вине, фруктовых

соках. Лактобациллы постоянно присутствуют в ротовой полости,

кишечном тракте многих теплокровных животных и человека;

3) облигатные термофилы способны расти при температурах до

70 ºС и не растут при температуре ниже 40 ºС. Оптимальная темпера-

турная область облигатных термофилов примыкает к их верхней тем-

пературной границе роста (65–70 ºС). Представители облигатных тер-

мофилов – бактерии вида Bacillus stearothermophilus и др.;

4) экстремальные термофилы имеют следующие температурные

параметры: оптимум в области 70–75 ºС, минимальная граница роста

– 40 ºС и выше, максимальная – около 90 ºС. Эти микроорганизмы

распространены в горячих источниках, особенно в районах активной

вулканической деятельности. Представители – бактерии родов Ther-

mus, Thermomicrobium, Thermoplasma и др.

Природу термоустойчивости у бактерий объясняют рядом струк-

турных и биохимических особенностей этих бактерий:

- липиды, входящие в состав клеточных мембран, содержат насы-

щенные жирные кислоты. В связи с этим они имеют более высокую

точку плавления по сравнению с липидами, содержащими ненасы-

щенные жирные кислоты;

- у экстремально термофильных бактерий обнаружено повышенное

содержание гуанина и цитозина в ДНК, что придает стабильность и

повышает точку плавления этих молекул;

- ферменты термофилов гораздо устойчивее к нагреванию в срав-

нении с соответствующими белками мезофильных бактерий. Часто

такая высокая термостабильность достигается в результате изменения

первичной структуры белковой молекулы. В качестве примера можно

привести следующий – при сравнении лактатдегидрогеназ мезофиль-

ных и термофильных бактерий рода Bacillus обнаружено увеличенное

содержание основных аминокислот аргинина и лизина в активном

центре лактатдегидрогеназ у термофилов. Устойчивость ферментов

термофилов обеспечивается также ионами Са

, кофакторами и дру-

гими агентами, которые связываются с ними.

Термофильные бактерии имеют большое практическое значение.

Обладая очень интенсивным метаболизмом, они являются активными

продуцентами витаминов, ферментов, органических кислот, кормово-

го белка и других ценных веществ. Это широко используется в мик-

робиологической промышленности, так как применение мезофильных

микроорганизмов в ней ограничено из-за того, что в результате куль-

тивирования часть энергии выделяется в тепло и происходит разогрев

субстрата (питательной среды), что приводит к гибели мезофильных

микроорганизмов.

Термофильные бактерии играют также большую роль в биологиче-

ской очистке бытовых отходов и образовании метана.

Микроорганизмы подвержены воздействию различных видов элек-

тромагнитных излучений. Эффект воздействия зависит от дозы

облучения и длины волны. Наиболее длинноволновая радиация (ра-

диоволны – длина волны более 1100 нм) не вызывает биологического

эффекта. Инфракрасные лучи (700–1100 нм и более) проявляют теп-

ловое действие на микроорганизмы и используются зелеными и пур-

пурными бактериями в процессе фотосинтеза. Видимая часть спектра

(300–700 нм) используются цианобактериями и другими фототроф-

ными бактериями в процессе фотосинтеза. УФ-лучи (10–300 нм) мо-

гут оказывать на микроорганизмы как микробоцидное, так и мутаген-

ное действие, что определяется видом микроорганизмов и дозой об-

лучения. Наибольший летальный эффект УФ-лучей наблюдается при

длине волны 260 нм, при которой отмечается максимум поглощения

УФ-лучей молекулами ДНК. Летальное действие УФ-лучей объясня-

ется в первую очередь изменениями структуры ДНК: разрывом водо-

родных связей, расщеплением связей между дезоксирибозой и фосфа-

том, а также образованием сшивок между тиминовыми азотистыми

основаниями (димеров тимина), которые обусловливают нарушение

процессов репликации и транскрипции.

Облучение УФ-лучами не всегда приводит клетку бактерий к гибе-

ли. Многие микроорганизмы обладают механизмами, призванными

исправлять (репарировать) повреждения ДНК, вызванные УФ-

облучением. Гибель клеток от облучения УФ-светом наступает тогда,

когда повреждение происходит быстрее, чем репарация ДНК. Кроме

нуклеиновых кислот, УФ-лучи поглощают белки и другие макромоле-

кулы, что приводит к нарушению их структуры и функций.

К воздействию УФ-излучения более устойчивы те виды бактерий,

в клетках которых содержатся каротиноиды. У гетеротрофных орга-

низмов каротиноиды служат защитной системой, снижающей повре-

ждения нуклеиновых кислот, а у фототрофных бактерий они предо-

храняют бактериохлорофилл от фотоокисления.

Ионизирующая радиация, под которой обычно подразумевают

рентгеновское и гамма-излучение (с длиной волны менее 10 нм), вы-

зывает летальный для клетки эффект. Она, в отличие от УФ-лучей,

действует на биополимеры не прямо, а опосредованно, вызывая обра-

зование свободных радикалов и органических перекисей, которые

реагируют с нуклеиновыми кислотами и белками, вызывая одно- и

двунитевые разрывы цепей ДНК, изменения азотистых оснований,

окисление сульфгидрильных групп белков в дисульфидные и т.д. Чув-

ствительность микроорганизмов различных групп к ионизирующей

радиации проявляется в разной степени. Например, бактерии Clostrid-

ium botulinum (тип Е) сохраняют жизнеспособность при дозе 1,5 Мрад,

Escherichia coli – только 0,18 Мрад. Абсолютным «чемпионом» по ус-

тойчивости к ионизирующей радиации являются бактерии Micrococ-

cus radiodurans, которые обитают в водах атомных реакторов, встре-

чаются в залежах урановых руд. Эти бактерии устойчивы к дозе иони-

зирующего излучения в 2–3 Мрад, что объясняется наличием в их

клетках мощных репарационных систем, призванных исправлять по-

вреждения в ДНК. Ионизирующее излучение используется в качестве

стерилизующего фактора, в том числе, для продления срока хранения

некоторых продуктов (фруктов, овощей, морепродуктов).

Высокие значения гидростатического давления приводят к раз-

рушению клеточных структур, происходит денатурация белков, пре-

кращается деление и клетки приобретают нитевидную форму. Однако

существуют бактерии, которые живут на глубине 7000 м и более, где

давление достигает более 1000 атмосфер. Из осадков на дне океанов

выделяют бактерии двух групп: баротолерантные и пьезофильные

(барофильные). Баротолерантные бактерии размножаются как при

обычном, так и при давлении в несколько сот атмосфер. Барофильные

(менее многочисленная группа) при давлении в сотни атмосфер дают

больший урожай биомассы, чем при атмосферном давлении. Пьезо-

фильные бактерии (например, бактерии вида Bacillus submarinus) –

это обитатели глубоководных впадин морей и океанов.

Концентрация веществ, растворенных в окружающей среде, т.е.

осмотическое давление, также оказывает большое влияние на жизне-

способность микроорганизмов: чем концентрированнее раствор, тем

труднее клетке поглощать из него воду. В гипертонических растворах,

т.е. таких, в которых осмотическое давление больше, чем в клетке,

происходит обезвоживание клеток (плазмолиз) и полное прекращение

роста. Это явление называется физиологической сухостью. Однако

некоторые микроорганизмы способны нормально развиваться в доста-

точно концентрированных растворах. Такие микроорганизмы назы-

вают осмофильными. Осмофильные микроорганизмы, для которых

требуется высокое содержание NaCl, получили название галофиль-

ных. К экстремальным галофилам относятся бактерии из родов Halo-

bacterium и Halococcus, живущие в растворах NaCl при концентраци-

ях, близких к насыщающим. У таких бактерий концентрация солей в

цитоплазме равна концентрации внешнего раствора, однако в клетках

преобладает не натрий, а калий. Белки галофильных бактерий отли-

чаются по строению от таковых негалофильных: содержание кислот-

ных групп в них преобладает над основными. Эти кислотные группи-

ровки нейтрализуются катионами. Высокие концентрации солей не-

обходимы галофилам для поддержания каталитической активности

ферментов, стабилизации мембран и рибосом. Галофильные бактерии

обнаружены в соленых озерах, в солончаковых почвах. Они обычно

вызывают порчу соленой рыбы и мяса.

Высокочастотные (> 16 кГц) механические колебания упругой

среды или ультразвук не воспринимаются нашими органами слуха.

При воздействии на микроорганизмы ультразвук создает большую

разницу в давлении на отдельные части клеток и повреждает их: раз-

жижается и вспенивается цитоплазма, разрушаются поверхностные

структуры, содержимое клетки смешивается с окружающей средой.

Чувствительность микроорганизмов к ультразвуку, пропорциональная

частоте колебаний и длительности воздействия, зависит также и от их

индивидуальных особенностей и физиологического состояния. Чем

крупнее клетки, тем более чувствительны они к воздействию ультра-

звука; палочки и извитые формы более чувствительны, чем кокки.

При длительном воздействии наблюдается полная гибель микроорга-

низмов, что используется в целях стерилизации. Ультразвук приме-

няют и для разрушения клеток с целью извлечения из них некоторых

биологически активных веществ.

Кроме охарактеризованных физических факторов на развитие мик-

роорганизмов оказывает воздействие изменение напряжения магнит-

ных полей. Этот фактор в настоящее время рассматривается, как эко-

логический, определяющий протекание многих биологических про-

цессов. Особенно чувствительны к изменению напряжения магнитно-

го поля магниточувствительные микроорганизмы, содержащие в

клетках магнитосомы.

Небезразличны микроорганизмы также к действию земного при-

тяжения, сотрясений, а также электрического тока.

4.3. Антимикробное действие антибиотиков

Антибиотики (антибиотические вещества) – низкомолекулярные

продукты метаболизма микроорганизмов, растений и животных или

их модификации, задерживающие рост или полностью подавляющие

развитие других микроорганизмов. Большинство известных в настоя-

щее время антибиотиков образуются именно клетками микроорганиз-

мов.

Первый антибиотик был открыт шотландским бактериологом

А.Флемингом в 1929 году. Флеминг А. выделил плесневый гриб, ко-

торый был определен как Penicillium notatum, и установил, что куль-

туральная жидкость этой плесени способна оказывать антибактери-

альное действие по отношению к патогенным коккам. Культуральная

жидкость гриба, содержащая антибактериальное вещество, названа

А.Флемингом пенициллином. Хотя попытки А.Флеминга выделить

активное начало, образуемое грибом P.notatum не увенчались успе-

хом, но большой его заслугой является то, что он указал на перспек-

тивы практического применения обнаруженного им агента.

Спустя примерно десять лет после сообщения А.Флеминга пени-

циллин начал изучать Э.Чейн. Он был убежден, что это вещество –

фермент. В 1940 году Х.Флори и Э.Чейн получили в кристаллическом

виде пенициллин и установили, что это не фермент, а низкомолеку-

лярное вещество пептидной природы.

Изучение пенициллина в бывшем Советском Союзе было начато

З.В.Ермольевой. В 1942 году под ее руководством в лаборатории

биохимии микробов Всесоюзного института экспериментальной ме-

дицины в Москве был получен первый отечественный антибиотик,

сходный с пенициллином, – крустозин, сыгравший

огромную роль в

спасении жизней воинов в годы Великой Отечественной войны.

После того как было установлено, что пенициллин обладает актив-

ностью в отношении возбудителей септических инфекций, пневмо-

нии, эпидемического менингита и других заболеваний, начались

интенсивные поиски продуцентов этого антибиотика. В результате

было установлено, что пенициллин могут синтезировать не только

Penicillium notatum, но и многие другие виды грибов, например,

P.chrysogenum, P.nigricans, Aspergillus flavus, A.nidulans.

Пенициллины, синтезируемые различными микроорганизмами,

близки по химическому строению. Они относятся к группе β-

лактамных антибиотиков, общим для которых является наличие 4-х

членного β-лактамного кольца, входящего в состав 6-аминопени-

циллановой кислоты. К 6-аминопенициллановой кислоте присоединен

радикал. В зависимости от того, какой радикал присоединен к

6-аминопенициллановой кислоте, все антибиотики пенициллинового

ряда разделяют на природные и полусинтетические. В качестве при-

мера рассмотрим строение бензилпенициллина или пенициллина G:

CO NH CH CH

C(CH

)

CHCOOH

R-радикал

тиазолидиновое кольцо

6-аминопенициллановая кислота

β-лактамное кольцо

Исходным продуктом для получения полусинтетических пеницил-

линов является 6-аминопенициллановая кислота, которую чаще всего

получают путем расщепления природных пенициллинов ферментом

пенициллинацилазой, синтезируемым многими микроорганизмами:

Затем к 6-аминопенициллановой кислоте химическим путем при-

соединяют различные радикалы. Примером полусинтетических анти-

биотиков пенициллинового ряда являются:

- ампициллин:

радикал (R) –

- карбенициллин:

радикал (R) –

COOH

CO NH CH CH

C(CH

)

CHCOOH

пенициллинацилаза

- метициллин:

радикал (R) –

- фенициллин:

радикал (R) –

Полусинтетические антибиотики в отличие от природных хороши

тем, что они не инактивируются β-лактамазами, которые в молекулах

природных антибиотиков расщепляют β-лактамное кольцо. Поскольку

этот фермент синтезируется многими микроорганизмами и они устой-

чивы к природным пенициллинам, то лечить заболевания, возбудите-

лями которых являются такие микроорганизмы, ими нельзя. Прибе-

гают в данном случае к полусинтетическим антибиотикам.

К настоящему времени выделено и описано более 3000 антибиоти-

ков. Примерно 50% известных антибиотиков синтезируются штамма-

ми, принадлежащими к актиномицетам, причем главным образом к

одному из родов – роду Streptomyces. Большое число антибиотиков

являются продуктами жизнедеятельности других бактерий, но среди

этих антибиотиков лишь немногие нашли пока практическое приме-

нение. Почти все антибиотики бактериального происхождения по хи-

мической природе являются пептидными. Среди бактерий следует

выделить спорообразующие бактерии Bacillus subtilis, которые спо-

собны образовывать около 70 различных полипептидных антибиоти-

ков, Bacillus polymyxa – 20 антибиотиков, которые относятся к семей-

ству полимиксиновых, Bacillus brevis – 23 антибиотика. Антибиотики

продуцируются также многими видами плесневых грибов.

Способность к синтезу антибиотиков не является строго специфи-

ческим признаком. Один и тот же антибиотик может образовываться

микроорганизмами, относящимися к разным видам, родам и даже по-

рядкам. С другой стороны, штаммы, относящиеся к одному виду, мо-

гут синтезировать разные антибиотики. Однако, как правило, чем

OCH

дальше отстоят друг от друга организмы в таксономическом отноше-

нии, тем меньше вероятность, что они синтезируют один и тот же тип

антибиотика.

Антибиотики в химическом отношении представляют очень гете-

рогенную группу соединений:

- молекулярная масса антибиотиков варьирует от 150 до 5000 даль-

тон, т.е. это низкомолекулярные вещества;

- молекулы одних антибиотиков состоят или только из атомов С и

Н, но чаще из С, О, Н и N; другие антибиотики содержат также атомы

серы, фосфора и галогенов;

- в молекулах антибиотиков представлены почти все функциональ-

ные группы, известные в органической химии (гидроксильная, кар-

боксильная, карбонильная, азотсодержащие функциональные группы

и т.д.), а также алифатические и алициклические цепи, ароматические

кольца и т.д.

Общим для всех антибиотиков является то, что они могут быть по-

лучены в кристаллическом виде.

Отличие антибиотиков от других продуктов метаболизма микроор-

ганизмов, также подавляющих рост отдельных видов, как, например,

спирты, органические кислоты, перекиси состоит в следующем:

- во-первых, антибиотики обладают высокой биологической ак-

тивностью. Например, для подавления роста грамположительных бак-

терий (стрептококков, микрококков и др.) требуется концентрация ан-

тибиотика эритромицина, равная всего 0,01 – 0,25 мкг/мл. Конечно,

при таких ничтожно малых концентрациях спирта или органической

кислоты никакого ингибирующего бактерии эффекта быть не может;

- во-вторых, антибиотики обладают избирательностью биологиче-

ского действия. Это означает, что не все микроорганизмы чувстви-

тельны к конкретному антибиотику. В этой связи микроорганизмы де-

лят на две группы: чувствительные к определенным антибиотикам и

резистентные, или устойчивые, к ним.

Антибиотики часто объединяют в группы в зависимости от того,

рост каких микроорганизмов они подавляют. Выделяют следующие

группы антибиотиков: противовирусные, антибактериальные, проти-

вогрибковые, антипротозойные, противоопухолевые.

Чувствительность различных бактерий к антибиотикам определя-

ется в значительной мере структурой клеточной стенки, поскольку от

этого зависит способность антибиотика проникать в бактериальную

клетку. В соответствии с активностью в отношении грамположитель-

ных и грамотрицательных бактерий антибактериальные антибиотики

можно разделить на две группы. Большинство антибиотиков действу-

ют на грамположительные бактерии, через клеточную стенку которых

эти соединения легче проникают, так как в ней нет дополнительного

барьера наружной мембраны. Такие антибиотики относят к соедине-

ниям с узким спектром действия. Антибиотики, активные в отноше-

нии как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий, на-

зываются антибиотиками широкого спектра действия.

Бактерицидный или бактериостатический эффект, вызываемый ан-

тибиотиками, как правило, связан с нарушением отдельных звеньев

метаболизма или структур бактериальных клеток.

В зависимости от механизма действия антибиотики делят на не-

сколько групп:

- ингибирующие синтез клеточной стенки (пенициллины, бацитра-

цин, ванкомицин, цефалоспорины и др.);

- нарушающие функционирование цитоплазматической мембра-

ны (грамицидины, валиномицин, полиены, трихомицин и др.);

- подавляющие синтез РНК (рифампицины, стрептоварицины и

др.);

- подавляющие синтез ДНК (митомицин С, противоопухолевые,

новобиоцин и др.);

- ингибирующие синтез белка (хлорамфеникол, стрептомицин, ка-

намицин, эритромицин, линкомицин, пуромицин, фузидиевая кислота,

тетрациклины и др.).

Рассмотрим механизм действия некоторых антибиотиков.

Пенициллин ингибирует синтез пептидогликана муреина, входя-

щего в состав клеточной стенки. В частности он нарушает образова-

ние пептидных связей в процессе синтеза пептидогликана, инактиви-

руя ключевой фермент транспептидазу, ответственный за этот про-

цесс. Синтезируется несшитый пептидогликан, в результате чего об-

разуется «ослабленная» клеточная стенка, неспособная выдержать

увеличивающееся в результате роста клетки, давление, что приводит к

разрушению и лизису клеток.

Митомицин С блокирует синтез ДНК за счет того, что его моле-

кулы связываются с ДНК в области репликативной вилки, образуя по-

перечные сшивки между цепями и препятствуя их разделению. ДНК-

полимераза не может продвигаться по ДНК и осуществлять реплика-

цию.

Актиномицин Д связывается с ГЦ-богатыми участками в молеку-

ле ДНК и препятствует перемещению ДНК-зависимой РНК-поли-

меразы вдоль ДНК-матрицы из-за невозможности локального распле-