1.3. ФІЗІОЛОГІЯ МІКРООРГАНІЗМІВ

Мікроорганізмам, як і всім живим істотам, притаманні фізіологічні процеси, в результаті яких вони ростуть і розвиваються, розмножуються, пристосовуються до динамічних умов зовнішнього середовища, максимально зберігаючи власний гомеостаз і постійно еволюціонуючи.
Хімічний склад мікроорганізмів. Фізіологічні процеси тісно пов’язані з хімічним складом мікробної клітини. До складу їх входять елементи-органогени: Нітроген, Карбон, Оксиген та Гідроген. З них мікроорганізми синтезують білки, вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти, ферменти, вітаміни тощо. До складу мікробної клітини входять також мікроелементи: Фосфор, Натрій, Кальцій, Ферум, Калій, Молібден, Купрум, Бор, Кобальт, Манган, Цинк та ін.
Мікробна клітина містить до 75 – 85 % води, яка може перебувати у вільному та зв’язаному стані.
Білки представлені протеїнами та протеїдами. Протеїни — прості білки — це молекули поліпептидів, протеїди — складні білки — сполуки протеїнів з небілковими групами: нуклеїновою кислотою (нуклеопротеїди), полісахаридами (глікопротеїди), жирами (ліпо-протеїди).
Обов’язковим компонентом мікробної клітини є нуклеїнові кислоти — ДНК і РНК, функції яких аналогічні функціям цих компонентів у більш високоорганізованих організмів.
Вуглеводи, найчастіше у вигляді полісахаридних комплексів, входять переважно до складу оболонки мікробної клітини. Завдяки їм формуються за участю білка та інших компонентів стабільні структури на поверхні клітин, що є специфічними рецепторами, які визначають їхні антигенні та нерідко патогенні властивості.
Ліпіди, переважно у вигляді жирних кислот, нейтральних жирів, фосфоліпідів, як правило, у комплексі з іншими компонентами входять до складу різних структур мікробної клітини, забезпечуючи їхні структурну та функціональну стабільність.
Кількість різних хімічних елементів у мікробній клітині відносно стабільна, проте залежить і від вмісту їх у середовищі, в якому вони ростуть і розвиваються.
Ферменти. Усі реакції в процесі життєдіяльності мікроорганізмів відбуваються за участю ферментів, каталізаторів різноманітних біохімічних реакцій. Більшість ферментів — білки, деякі є сполукою білка з металом. Вони надзвичайно активні й специфічні. Ферменти легко руйнуються під дією температури, кислот, лугів, солей тяжких металів. Розрізняють екзоферменти, що виділяються мікробною клітиною назовні, та ендоферменти, які знаходяться і діють усередині клітини. Завдяки екзоферментам мікроорганізми розщеплюють складні сполуки (наприклад, білки), що знаходяться поза мікробною клітиною, до простіших, які можуть бути засвоєними.
Є ферменти, що містяться у мікробній клітині постійно, їх називають конструктивними ферментами. Проте деякі ферменти з’являються лише тоді, коли є відповідний їм субстрат (у живильному середовищі). Такі ферменти звуться адаптивними (індуктивними).
Лише завдяки участі ферментів можливе живлення, дихання та розмноження мікроорганізмів.
Живлення. Обмін речовин у мікроорганізмів здійснюється завдяки процесам асиміляції та дисиміляції. Мікроорганізми отримують із зовнішнього середовища поживні речовини й використовують їх для синтезу певних речовин та добування енергії, необхідних для їхньої життєдіяльності.
Поживні речовини надходять усередину мікробної клітини, проходячи крізь її напівпроникну клітинну стінку та цитоплазматичну мембрану. Так само різні речовини екскретуються з внутрішнього середовища мікробної клітини назовні. Цитоплазматична мембрана є основним елементом клітини, через яку транспортуються поживні речовини та виводяться продукти життєдіяльності.
Механізм надходження поживних речовин у клітину пов’язаний з осмотичним тиском усередині клітини та поза нею. У зв’язку з різницею в концентрації поживних речовин відбувається рух води і розчинених у ній речовин. При цьому вода рухається у бік вищої, а солі — навпаки, нижчої їх концентрації. Такий механізм надходження поживних речовин у мікробну клітину називається пасивною дифузією. Він не потребує затрат енергії з боку мікробної клітини. Крім нього існують також інші механізми: полегшена дифузія, активний транспорт та перенесення радикалів.
Транспорт поживних речовин через механізм полегшеної дифузії відбувається за участю ферментів пермеаз, які зв’язують молекулу субстрату на поверхні мікробної клітини і транспортують її до внутрішнього шару цитоплазматичної мембрани, де комплекс дисоціює. Подібно до попереднього механізму перенесення речовин у клітину за механізмом полегшеної дифузії не потребує енергії, відрізняючись від нього лише тим, що в цьому процесі беруть участь пермеа-зи. Проте більшість поживних речовин транспортуються всередину клітини мікроорганізму шляхом активного транспорту.
Активний транспорт і транслокація груп (перенесення радикалів) мають спільні ознаки з полегшеною дифузією: ці процеси відбуваються за участю субстратспецифічних транспортних білків. Проте, на відміну від полегшеної дифузії, активний транспорт потребує затрат енергії. Використовуючи клітинну енергію, речовина може накопичуватись у клітині проти концентраційного градієнта.
Відмінність між механізмами активного транспорту і транслокації груп полягає в тому, що у першому випадку субстрат, поглинений з живильного середовища, надходить у клітину не зміненим, в останньому (транслокації груп) — він у процесі транспортування модифікується, наприклад, відбувається його фосфорилізація.
Перелічені механізми надходження поживних речовин лише частково відтворюють досить складні процеси транспорту їх усередину клітини й свідчать про складність фізіологічних явищ у мікроорганізмів.
Постійне надходження води всередину клітини зумовлює набухання колоїдів цитоплазми, в результаті чого цитоплазма щільно прилягає до оболонки клітини й перебуває у постійному напруженні, так званому тургорі.
В умовах, коли осмотичний тиск зовні мікробної клітини зростає, відбувається зневоднення цитоплазми, яка відстає від оболонки й зморщується. При цьому різко порушується процес живлення. Таке явище зветься плазмолізом. Якщо ж зовні мікробної клітини концентрація речовин нижча від фізіологічної, бактерійна клітина набухає через те, що вода у надмірній кількості надходить усередину клітини. При цьому оболонка клітини може не витримати тиску і лопнути. Таке явище зветься плазмоптизом.
Типи живлення. Залежно від способу засвоєння азоту та вуглецю мікроорганізми поділяють на автотрофи і гетеротрофи. Мікроорганізми, які здатні як основне джерело вуглецю використовувати СО₂ (діоксид карбону), називають автотрофами, а таких, основним джерелом цього компонента для яких є органічна речовина, — гетеротрофами.
Останні залежно від джерела вуглецю поділяють на метатрофи та паратрофи. Метатрофи черпають вуглець з мертвих органічних решток, а паратрофи — з живих організмів. Перші є сапрофітами, останні — паразитами. Проте такий поділ є досить умовним. Так, окремі паразити (серед них патогенні види) можуть існувати як сапрофіти, і навпаки. Нерідко сапрофіти при потраплянні в організм спричинюють захворювання.
Процес живлення потребує використання енергії. Залежно від її джерела всі організми поділяють на два типи: фототрофи — фото-синтезуючі (використовують енергію світла) та хемотрофи (використовують енергію, що вивільнюється в результаті хімічних реакцій).
Бактерії потребують різноманітних поживних речовин, включаючи азот, вуглець, мінеральні речовини, вітаміни. Вуглець мікроорганізми отримують з вуглеводів, спиртів, різних органічних кислот. Як основне джерело вуглецю в живильних середовищах використовують пептон.
Мікроорганізми потребують також амінокислот. Спочатку під впливом мікробних ферментів білки розщеплюються до амінокислот. Останні транспортуються всередину клітини, де можуть зазнавати подальшої модифікації (дезамінування, декарбоксилування).
Поряд з цим спостерігається і зворотний процес — синтез амінокислот з простих елементів та подальше формування поліпептидів. Поліпептиди — білкові молекули — синтезуються у рибосомах мікробних клітин. Механізм їх синтезу аналогічний характеру цього процесу у вищих організмів. На матриці ДНК за допомогою ферменту синтезується інформаційна РНК, яка транспортується в рибосому і виконує функцію матриці, на якій формується поліпептидний ланцюг, що складається з амінокислот. Сформований поліпептид у подальшому використовується мікробною клітиною як пластичний чи енергетичний матеріал.
Розщеплення вуглеводів здійснюється також за допомогою ферментів. Моносахариди, що утворюються при цьому, у подальшому зазнають бродіння, в результаті якого вивільнюється енергія, що використовується мікроорганізмом. Кінцеві продукти такого розпаду — вода і вуглекислий газ. Мікробна клітина може синтезувати вуглеводи завдяки фотосинтезу або хемосинтезу, що залежить від виду мікроорганізму.
Дихання. Дихання — це окисно-відновні процеси, що супроводжуються виділенням енергії. У цьому складному процесі беруть участь багато ферментів, що каталізують перенесення електронів від системи з найбільшим негативним потенціалом до системи з найвищим позитивним потенціалом. Донорами електронів можуть бути як органічні, так і неорганічні сполуки. Якщо кінцевим акцептором електронів є молекулярний кисень, тоді такий тип дихання називають аеробним, а мікроорганізм — аеробом. Якщо ж кінцевий акцептор електрона утворюється за рахунок самого субстрату, тоді таке дихання називають анаеробним, або бродінням. Отже, бродіння — це енергетичний процес, за якого органічні сполуки є як донорами, так і акцепторами електронів.
Між аеробами та анаеробами існують і проміжні форми мікроорганізмів, зокрема факультативні анаероби, мікроаерофіли. На відміну від облігатних (абсолютних) анаеробів, факультативні анаероби можуть рости як в анаеробних, так і в аеробних умовах. Мік-роаерофіли потребують у процесі культивування мізерної кількості атмосферного кисню (не більш як 10 %).
Розмноження. Досягнувши індивідуальних розмірів та фізіологічної зрілості, мікробна клітина починає розмножуватись. Бактерії розмножуються прямим поперечним поділом, гриби — за допомогою спороутворення. У дріжджів крім спороутворення спостерігається також розмноження брунькуванням. У деяких мікроорганізмів, зокрема у мікоплазм і хламідій, процес розмноження складніший, проходить складний цикл морфологічних перетворень. Здебільшого у мікроорганізмів розмноження позастатеве, проте іноді спостерігається і статеве розмноження.
Поділ мікробної клітини не завершується утворенням рівноцінних клітин, а полягає у відділенні дочірньої від материнської. Дочірня клітина згодом сама стає материнською і від неї відділяється дочірня клітина.
Розмноження бактерій — надзвичайно інтенсивний процес. За наявності оптимальних умов мікробна клітина ділиться через кожні 15 – 30 хв. Швидкість розмноження залежить від виду мікроорганізму та умов його культивування. Під час розмноження їх на штучних живильних середовищах спостерігається кілька фаз: лаг-фаза (фаза затримки росту), під час якої мікроорганізми не розмножуються, адаптуються до умов середовища (триває 1 – 2 год), потім спостерігається швидке розмноження їх — експоненціальна фаза (фаза логарифмічного росту), за нею настає стаціонарна фаза, коли крива росту сягає максимуму і залишається паралельною осі абсцис, і, нарешті, фаза старіння, або стадія відмирання мікроорганізмів, під час якої клітини не розмножуються, старіють і відмирають.
Знаючи причини, що призводять до припинення розмноження і старіння мікроорганізмів, можна регулювати тривалість фази логарифмічного їх росту. Такими причинами є виснаження та закисання живильного середовища, накопичення продуктів життєдіяльності мікроорганізму. Розроблено технології тривалого культивування мікроорганізмів у спеціальних реакторах, де можна регулювати процес культивування та вносити необхідні корективи до складу середовища, показника рН та ін., забезпечуючи впродовж тривалого часу оптимальні умови для росту і розмноження мікроорганізмів.
Живильні середовища. В умовах лабораторій для культивування мікроорганізмів використовують живильні середовища. Нині запропоновано десятки різноманітних живильних середовищ, їх поділяють на прості (м’ясо-пептонний агар (МПА) і м’ясо-пептонний бульйон (МПБ), спеціальні (кров’яний агар для культивування анаеробів), диференційно-діагностичні (середовище Ендо для диференціації ешерихій від сальмонел), селективні (середовища, які забезпечують ріст одних видів, пригнічуючи ріст інших).
За походженням розрізняють середовища природні (молоко, картопля, кров’яна сироватка) та штучні (МПА, МПБ), за консистенцією — рідкі, щільні, напіврідкі. На поверхні щільного середовища бактерії ростуть, утворюючи колонії. Вони різні у різних видів бактерій. Розглядаючи колонії, що виросли, можна часто зорієнтуватись щодо виду мікроорганізму (якщо він невідомий). У рідкому середовищі ріст бактерій характеризується утворенням поверхневої плівки, осаду та помутнінням рідини.
Культивують мікроорганізми під час діагностики інфекційної хвороби, а також у процесі отримання різноманітних біологічних препаратів (вакцин, пробіотиків).

До змісту