Ріст і розмноження бактерій – реферат

Зростання бактеріальних клітин пов’язаний з синтезом і накопиченням всіх компонентів, що входять до її складу, і збільшенням розміру, характерного для даного виду. В умовах, що забезпечують ріст мікробів, відбувається і процес їх розподілу. Для більшості бактерій характерно поперечне бінарне поділ, що приводить до утворення двох дочірніх клітин. У грампозитивних бактерій при цьому відбувається синтез перегородки між діляться клітинами. Перегородка починає формуватися на периферії і «рухається» до центру клітини. Для грамнегативнихбактерій характерно початкове формування перетяжки, що відокремлює клітини. Після її утворення остаточне розділення дочірніх клітин супроводжується синтезом перегородки між ними.

Розподіл бактеріальної клітини починається через деякий час після завершення циклу реплікації хромосоми, яка у бактерій протікає по напівконсервативним механізму. Це означає, що кожна з двох ниток ДНК хромосоми служить матрицею для синтезу комплементарної дочірньої ланцюга ДНК. У процесі реплікації бактеріальної хромосоми бере участь більше 20 ферментів. Перед репликацией ланцюга батьківської молекули матричної ланцюга ДНК повинні бути розділені. У цьому процесі беруть участь фермент ХЕЛІКАЗИ, яка в енергопоглинаючими реакції розплітає подвійну спіраль, і фермент топоізомераза (гіраза), яка запобігає утворенню вторинних завитків. SSB-білок зв’язується з одноцепочечной ДНК, запобігаючи повторне скручування в подвійну спіраль. У результаті утворюється репликативная вилка (рис. 3.5). Синтез нових ланцюгів ДНК здійснюється ферментом ДНК-полімеразою. ДНК-полімераза не спроможна ініціювати нові ланцюги ДНК, а може приєднувати комплементарні матриці нуклеотиди до вільного -кінцю зростаючої ланцюга. Тому для здійснення реакції полімеризації нуклеотидів на матриці батьківської ланцюга полімеразі потрібно запал, праймер (від англ. Primer – запал). Праймер являє собою коротку нуклеотидную ланцюжок РНК, комплементарних матричної ланцюга, з вільним 3′-кінцем. Добудовування здійснюється приєднанням до вільної гідроксильної групі 3′-кінця затравки нового нуклеотиду. Розплетені ланцюга ДНК завжди містять на 5′-кінці кілька рибонуклеотидов, тобто синтез ДНК починається з синтезу РНК. РНК-затравки для синтезу ДНК утворює спеціальний фермент ДНК-праймаза, здатна ініціювати синтез РНК по одноцепочечной ДНК матриці при відсутності какойлібо затравки. Після того як ланцюг ДНК початку синтезуватися, РНК-запал віддаляється, а віддаляються проломи забудовуються ДНК-полімеразою з високою точністю. Збереження високого ступеня точності, необхідної при реплікації, забезпечується різними функціями ДНК-полімерази. Крім полімеразної активності вона здатна до перевірки зчитування. В ході останньої фермент перевіряє, чи правильно здійснено приєднання чергового нуклеотиду. Якщо виявляється порушення правила комплементарності, проявляється третя функція даного ферменту – екзонуклеазная і відбувається відщеплення неправильно приєднаного нуклеотиду. Після його видалення знову відбувається полімеразна реакція з подальшою перевіркою її правильності. В цілому в сприятливих умовах синтез ДНК у клітині значно випереджає швидкість її поділу. У реальних умовах одна мікробна клітина містить від 2 до 10 копій хромосом. Показано, що багато бактерії без пошкодження клітини виділяють надлишок ДНК в навколишнє середовище. Цей процес відіграє важливу роль в обміні генетичною інформацією між бактеріями.

Процес реплікації ДНК бактерії продовжується до тих пір, поки не подвоїться вся ДНК. Реплікація починається в одній обраній області, званої origin (від англ. Origin – початок), що має певну послідовність нуклеотидів. На origin може виникати одна або дві реплікативні вилки. Послідовність нуклеотидів на origin-ділянці сприяє необхідному для реплікації ДНК розплітанню подвійної спіралі і служить місцем «посадки» на ДНК комплексу ферментів, що у реплікації. Правильний розподіл знову синтезованих ниток ДНК по дочірнім клітинам досягається у бактерій за рахунок прикріплення ДНК до мембрани. Просторова організація ділянки прикріплення і зони росту мембрани і клітинної стінки забезпечує автоматичне розтягування двох копій реплікованих ДНК по дочірнім клітинам. Розмноження бактерій бінарним поділом призводить до зростання числа бактеріальних клітин в геометричній прогресії.

При внесенні бактерій в живильне середовище вони ростуть і розмножуються до тих пір, поки вміст якого-небудь з необхідних компонентів середовища не досягає мінімуму, після чого зростання і розмноження припиняються. Якщо протягом усього цього часу не додавати поживні речовини і не видаляти кінцеві продукти обміну, то отримуємо статичну бактеріальну культуру. Статична (періодична) культура бактерій поводиться як багатоклітинний організм з генетичним обмеженням зростання. Якщо побудувати графік, по осі абсцис якого відкласти час, а по осі ординат – число клітин, то отримаємо криву, яка описує залежність числа утворюються клітин від часу розмноження, яка називається кривою росту (рис. 3.6).

На кривій росту бактерій в рідкому живильному середовищі можна розрізнити кілька фаз, що змінюють один одного в певній послідовності.

• Початкова – лаг-фаза (від англ. Lag – відставати), охоплює проміжок часу між инокуляцией (посівом бактерій) і початком розмноження. Її тривалість в середньому 2-5 год і залежить від складу живильного середовища та віку засеваемой культури. Під час лаг-фази відбувається адаптація бактеріальних клітин до нових умов культивування, йде синтез індуцибельних ферментів.

• Експоненціальна (логарифмічна) фаза характеризується постійною максимальною швидкістю поділу клітин. Ця швидкість залежить від виду бактерій і поживного середовища. Час подвоєння клітин називається часом генерації, яке варіює від виду бактеріальної культури: у бактерій роду Pseudomonas воно дорівнює 14 хв, а у Mycobacterium – 24 год. Величина клітин і вміст білка в них під час експоненційної фази залишаються постійними. Бактеріальна культура в цій фазі складається зі стандартних клітин.

• Стаціонарна фаза настає тоді, коли число клітин перестає збільшуватися. Так як швидкість росту залежить від концентрації поживних речовин, то при зменшенні вмісту останніх у живильному середовищі зменшується і швидкість росту. Зниження швидкості росту відбувається також через великої щільності бактеріальних клітин, зниження парціального тиску кисню, накопичення токсичних продуктів обміну. Тривалість стаціонарної фази становить кілька годин і залежить від виду бактерій і особливостей їх культивування.

• Фаза відмирання настає внаслідок накопичення кислих продуктів обміну або в результаті аутолізу під впливом власних ферментів. Тривалість цієї фази коливається від десятка годин до декількох тижнів.

Тривалість життя бактерій мало вивчена. Відомо, що мезофіли на живильному середовищі при кімнатній температурі в умовах, коли розмноження бактерій мінімально, можуть зберігати свою життєздатність протягом 1-2 років. Очевидно, що біологічна смерть бактерій більшою мірою пов’язана з обмеженням числа можливих поділок. Вважається, що більшість бактерій можуть ділитися близько 50 разів, після чого клітина гине. Механізми загибелі залишаються не до кінця вивченими, але показано існування у бактерій генів, зміна активності яких специфічно направлено на самознищення клітин. Постійне перебування бактеріальної популяції в логарифмічній фазі росту спостерігається в безперервній культурі, що досягається поступовим дозуванням надходження поживних речовин, контролем щільності бактеріальної суспензії і видаленням метаболітів. Безперервні бактеріальні культури використовуються в біотехнологічних процесах.

Накопичення бактеріальної маси (числа бактерій) при культивуванні залежить від багатьох факторів (якість поживних середовищ, посівна доза, температура вирощування, рН, наявність активують ріст добавок та ін.).

На рідких поживних середовищах ріст і розмноження бактерій проявляються у вигляді дифузного помутніння, освіти придонного осаду або поверхневої плівки. Особливістю розмноження бактерій зростання Leptospira на рідких середовищах є відсутність видимих ​​проявів зростання.

На щільних живильних середовищах бактерії утворюють скупчення клітин – колонії, які прийнято вважати нащадком однієї клітини. Колонії різняться формою, розмірами, поверхнею, прозорістю, консистенцією і забарвленням. Колонії з гладкою блискучою поверхнею прийнято називати колоніями в S-формі (від англ. Smooth – гладкий). Колонії з матовою шорсткою поверхнею називають R-формами (від англ. Rough – шорсткий).

Забарвлення колоній визначається здатністю бактерій синтезувати пігменти. Пігменти розрізняються за кольором, хімічним складом і розчинності. Пігменти оберігають бактеріальну клітину від УФ-променів, знешкоджують токсичні кисневі радикали, мають антибіотичні властивості, беруть участь в реакціях, супутніх фотосинтезу в фототрофних бактеріях.

Вид, форма, колір та інші особливості колоній, а також характер росту на щільних поживних середовищах визначаються як культуральні властивості бактерій і враховуються при їх ідентифікації.

Крім бінарного поділу, деякі представники царства Procaryotae мають інші способи розмноження.

Актиноміцети можуть розмножуватися шляхом фрагментації гіфів. Представники сімейства Streptomycetaceae розмножуються спорами.

Мікоплазми є поліморфними бактеріями, що обумовлено особливостями їх розмноження. Крім поперечного поділу, якщо воно відбувається синхронно з синтезом ДНК, мікоплазми можуть розмножуватися брунькуванням. У цьому випадку основний морфологічної репродукується одиницею є елементарні тільця сферичної або овоидной форми, що розмножуються фрагментацією і брунькуванням.

Хламідії не володіють здатністю до бінарним поділом. Вони проходять через цикл розвитку, який передбачає існування двох форм: позаклітинних інфекційних, малих розмірів елементарних тілець, що не володіють здатністю до бінарним поділом, і внутрішньоклітинного, метаболічно активного, великих розмірів ретикулярного тільця, здатного до бінарним поділом. В результаті бінарного поділу ретикулярного тільця формуються дочірні елементарні тільця, які виділяються з клітини.

Деякі спірохети, наприклад Treponema pallidum, здатні утворювати в несприятливих умовах цисти, які, розпадаючись на зерна, дають потомство новим бактеріальним клітинам.

Некультивованих форми бактерій. Деякі неспорообразующие бактерії здатні переживати несприятливі для розмноження умови навколишнього середовища, переходячи в некультивованих стан. У цьому стані бактеріальні клітини зберігають свою метаболічну активність, але не здатні до безперервного клітинного ділення, необхідному для зростання на рідких і щільних поживних середовищах. При зміні умов існування, зокрема при попаданні в організм людини або тварин, клітини знову набувають здатність до розмноження і зберігають свій патогенний потенціал. Перехід в некультивованих (покоїться) стан забезпечує збереження патогенних бактерій в межепідеміческом і межепізоотіческій періоди. При переході в некультивованих форму бактеріальні клітини зменшуються в розмірах, набувають сферичну форму, змінюють в’язкість ЦПМ. У них зберігаються транспорт електронів по дихальної ланцюга і невисокий рівень метаболічної активності. На перехід в некультивованих форму впливають температура, концентрація солей, світло, парціальний тиск кисню, вміст поживних речовин, а також метаболіти водоростей, що знаходяться в біоценозі з бактеріями. Виявити наявність бактерій, що знаходяться в некультивованих формі, можна за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) (див. Розділ 5.6.3) або барвників, що міняють забарвлення в окисленої і відновленої формах. Повернення здатності до розмноження і росту знаходяться в спочиває формі клітин можуть викликати природні фактори: найпростіші, мешканці грунтів і водойм, фітогормони, що виділяються кореневими волосками рослин.

Посилання на основну публікацію