Ферменты микроорганизмов и их классификация
Ферменты
микроорганизмов
и их классификация.
Использование ферментов
микробов в практической
деятельности человека.
Ферменты — биологические
катализаторы. Они катализируют тысячи
химических реакций, из которых слагается
метаболизм микроорганизма. В настоящее
время известно около двух тысяч ферментов.
Ферменты представляют собой белки с i
молекулярной массой от 10000 до нескольких
миллионов. Название ферменту дается по
веществу, на которое он действует с изменением
окончания на «аза». Например, целлюлаза
катализирует гидролиз целлюлозы до целлобиозы,
уреаза катализирует гидролиз мочевины
(urea) до аммиака и С02 и т. п. Однако чаще
фермент получает название, которое указывает
на природу катализируемой,йм химической
реакции.
Ферменты синтезируются самой микробной клеткой и имеют сложное строение. Некоторые состоят из белка – протеина, а другие представляют собой протеиды, состоящие из белка – апофермента и структуры небелковой природы – кофермента. В этом случае апофермент соединяется с активной группой изменяемого вещества, а кофермент способствует течению реакции.
Современная классификация
ферментов также строится с учетом природы
катализируемых ими реакций. Согласно
разработанной комиссией по ферментам
Международного биохимического союза
классификации, они подразделяются на
шесть главных классов.
Оксидоредуктазы
— это ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные
реакции. Они играют большую роль в процессах
биологического получения энергии. К ним
относятся дегидрогеназы (НАД, НАДФ, ФАД),
цитохромы (Ь, с, сь а, а), ферменты, участвующие
в переносе водорода, электронов и кислорода,
и др.
Трансферазы катализируют перенос
отдельных радикалов, частей молекул или
целых атомных группировок от одних соединений
к другим. Например, ацетилтрансферазы
переносят остатки уксусной кислоты —
СН3СО, а также молекул жирных кислот; фосфотрансферазы,
или киназы, обусловливают перенос остатков
фосфорной кислоты Н2Р 0 3 2 _. Известны многие
другие трансферазы (аминотрансферазы,
фосфорилазы и т. д.).
Гидролазы катализируют реакции
расщепления и синтеза таких сложных соединений,
как белки, жиры и углеводы, с участием
воды. К этому классу относятся протеолитические
ферменты (или пептидгидролазы), действующие
на белки или пептиды; гидролазы глюкозидов,
осуществляющие каталитическое расщепление
углеводов и глюкозидов (р-фруктофуранозидаза,
а-глюкозидаза, а- и р-амилаза, р-галактозидаза
и др.); эстеразы, катализирующие расщепление
и синтез сложных эфиров (липазы, фосфатазы).
Лиазы включают в себя ферменты,
катализирующие отщепление от субстратов
определенных химических групп с образованием
двойных связей или присоединение отдельных
групп или радикалов к двойным связям.
Так, пируватдекарбоксилаза катализирует
отщепление С02 от пировиноградной кислоты.
К лиазам относится также фермент альдолаза,
расщепляющий шестиуглеродную молекулу
фруктозо-1,6-дифосфата на два трех-углеродных
соединения. Альдолаза имеет большое значение
в процессе обмена веществ.
Изомеразы осуществляют превращение
органических соединений в их изомеры.
При изомеризации происходит внутримолекулярное
перемещение атомов, атомных группировок,
различных радикалов и т. п. Изомеризации
подвергаются углеводы и их производные,
органические кислоты, аминокислоты и
т. д. Ферменты этой группы играют большую
роль в ряде процессов метаболизма. К ним
относятся триозофосфатизомераза, глюкозофосфатизомера-за
и др.
Лигазы катализируют синтез сложных
органических соединений из простых. Например,
аспарагинсинтетаза осуществляет синтез
амида аспарагина из аспарагиновой кислоты
и аммиака с обязательным участием аденозинтрифосфорной
кислоты (АТФ), дающей энергию для этой
реакции.
К группе лигаз относятся также карбоксилазы,
катализирующие присоединение С02 к различным
органическим кислотам. Например, фермент
пируваткарбоксилаза катализирует синтез
щаве-левоуксусной кислоты из пировиноградной
и С02.
Каждый класс ферментов обозначается цифрами. Первая цифра означает класс фермента; вторая – подкласс, указывающий соединение, на который действует фермент; третья – подподкласс; четвёртая – номер фермента. Все цифры разделяются точками. Так, каталаза обозначается 1.11.1.6.
Для определения вида микроорганизма пользуются определением у него наличия или отсутствия ферментов класса гидролаз.
Ферменты нашли широкое
применение в пищевой промышленности
и в меньшей степени в других видах производства.
Дело в том, что иммобилизованные ферменты
и клетки в основном используют в получении
пищевых продуктов и в меньшей степени
фармацевтических препаратов. Такое ограничение
вызвано весьма малой доступностью (в
широких масштабах) ферментов, способных
катализировать реакции технологической
значимости, на пример, в органической
или неорганической химии, нефтехимии,
полимерной химии, фармацевтической промышленности
и т. д. Напротив, традиционное использование
растворимых ферментов в пищевой промышленности
создало определенный фундамент для дальнейшего
совершенствования методов в этой области.
Определение понятий
«бактериемия», «септицемия»,
«токсемия», «моноинфекция»,
«смешанная инфекция»,
«вторичная (секундарная)
инфекция», «реинфекция»,
«суперинфекция», «ремиссия»,
«микробоносительство»,
«сверхострое, острое,
подострое и хроническое
течение болезни», «типичная
и атипичная (абортивная),
доброкачественная
и злокачественная формы
болезни».
Бактериемия - наличие бактерий в крови. В норме кровь стерильна, и обнаружение бактерий в крови (обычно при помощи посева крови) всегда свидетельствует о патологии. Наличие циркулирующих в крови бактерий является серьезным осложнением инфекций (таких как пневмония и менингит), операций (особенно включающих в себя работу со слизистыми, такими как желудочно-кишечный тракт), катетеризации или попадания инородных тел в артерии или вены (включая внутривенные инфекции). Бактериемия может вызвать несколько серьезных последствий. Иммунный ответ на бактерии может вызвать сепсис (заражение крови) и септический шок, с высокой вероятностью смерти. Бактерии могут использовать кровь для распространения по организму (гематогенное распространение), вызывая вторичные очаги инфекции на значительном удалении от первичного очага инфицирования. Примером может быть эндокардит и остеомиелит. Лечение антибиотиками, противомикробными препаратами.
Септицемия - наличие в крови гноеродных микроорганизмов и их токсинов без образования гнойников в органах и тканях, удаленных от первичного очага воспаления. Данный термин также используется в более широком смысле для обозначения любого заражения крови.
Токсемия - отравление крови токсинами бактерий, размножающихся в инфекционном очаге, в результате чего у больного повышается температура тела, возникают понос и рвота. Выделяют три причины возникновения токсемии:
- Токсемия возникает
тогда, когда при работе органов в организме полноценн
о не выводятся естественные продукты распада. - Токсемия возникает
тогда, когда в крови накапливаются продукты распада
от жизнедеятельности микроорганиз
мов, населяющих тело. - Токсемия возникает тогда, когда животное вносит в свой организм продукты, которые являются токсичными для тканей, или в результате метаболизма которых возникают токсичные метаболиты, т.е. отравления.
Моноинфекция – инфекция, вызванная одним возбудителем. Например, лептоспироз.
Смешанная инфекция – инфекция, вызванная двумя и более видами микроорганизмов.
Вторичная инфекция - инфекция, которая развивается на фоне какой-либо первичной (основной), в результате активизации условно патогенных микробов.
Реинфекция возникает после перенесения болезни и освобождения организма животного от её возбудителя происходит повторное заболевание вследствие заражения тем же патогенным микробом.
Суперинфекция - следствие нового (повторного) заражения, наступившего на фоне уже развивавшейся болезни, вызванной тем же патогенным микробом.
Ремиссия
- период течения хронической
болезни человека или животного, характеризующийся
ослаблением или исчезновением её признаков.
Ремиссии могут возникать вследствие
цикличности течения заболевания (например, малярия); спонтанно
(например, при мочекаменной
болезни); в результате
лечения (например, хронической дизенте
Микробоносительство
- более или менее продолжительное
пребывание возбудителей болезни в организме
здорового животного. При микробоносительстве
нет патологических изменений каких-либо
органов или функциональных расстройств,
размножение микробов сдерживается на
определённом уровне. Однако животные
- микробоносители представляют опасность
как потенциальные источники возбудителя
инфекции. Такое истинное, или “здоровое”,
микробоносительство не связано с предшествующим
переболеванием, не сопровождается иммунологической
перестройкой организма и выявляется
лишь с помощью бактериологического (вирусологического)
исследования. Микробоносителями обычно
называют животных, которые, будучи клинически
здоровыми, представляют опасность как
источник возбудителя инфекции. В эту
категорию входят животные, выделяющие
патогенных микробов в инкубационном
периоде болезни (чума свиней, ящур, бешенство),
а также животные, оставшиеся носителями
возбудителя после исчезновения симптомов
перенесённой явной инфекции. В последнем
случае микробоносительство называется
реконвалесцентным и условно подразделяют
на острое (длительностью до 3 мес.) и хроническое.
К микробоносителям относят и животных,
у которых инфекция протекает скрыто,
бессимптомно, что часто бывает при бруцеллёзе,
туберкулёзе, паратуберкулёзе, сапе и
инфекционной анемии лошадей. В подобных
случаях, как и при реконвалесцентном
микробоносительстве, с целью диагностики
проводят не только бактериологическое
(вирусологическое), но и серологическое,
аллергическое исследования, а при вскрытии
нередко находят очаги поражения отдельных
органов.
Сверхострое, острое, подострое и хроническое течение болезни :
- Сверхострое течение болезни (молниеносное течение) характеризуется быстрым развитием симптомов и в течении нескольких минут заболевшее животное погибает (молниеносное течение сибирской язвы у овец).
- Острое течение болезни характеризуется развитием симптомов в течении 1-3 дней, после чего животное, если не лечить, погибает или выздоравливает (абортивное течение).
- Подострое течение болезни длится до 5-8 дней и при должном лечении заканчивается благополучно (если есть возможность лечить).
- Хроническое течение болезни характеризуется длительностью до 2-3 месяцев, а иногда и нескольких лет с периодическими обострениями клиники (бруцеллёз).
Иммунодефициты и причины, вызывающие их.
Иммунодефициты (ИДС) — нарушения иммунологической реактивности, обусловленные выпадением одного или нескольких компонентов иммунного аппарата или тесно взаимодействующих с ним неспецифических факторов. По происхождению иммунодефициты делят на первичные и вторичные.
Первичные иммунодефициты — это врожденные (генетические или эмбриопатии) дефекты иммунной системы. В зависимости от уровня нарушений и локализации дефекта они бывают:
- гуморальные или антительные — с преимущественным поражением системы В-лимфоцитов)
- клеточные
- комбинированные
- недостаточность системы комплемента
- дефекты фагоцитоза
Вторичные иммунодефициты – дефекты иммунной системы, возникающие в следствии воздействия различных факторов, как внешней среды (экологический фактор), так и внутренними факторами организма. Вторичные иммунодефициты являются частым осложнением многих заболеваний и состояний. Основные причины вторичных ИДС:
- дефект питания и общее истощение организма также приводит к снижению иммунитета. На фоне общего истощения организма нарушается работа всехвнутренних органов. Иммунная система особенно чувствительна к недостатку витаминов, минералов и питательных веществ, так как осуществление иммунной защиты это энергоемкий процесс. Часто снижение иммунитета наблюдается во время сезонной витаминной недостаточности (зима-весна)
- хронические бактериальные
и вирусные инфекции, а также паразитарные
инвазии (туберкулез, стафилоко
ккоз, пневмококкоз, герпес, хр онические вирусные гепатиты, малярия, токсоплазмо з, лейшманиоз, аскаридоз и др.). При различных хронических заболеваниях инфекционного характера иммунная система претерпевает серьезные изменения: нарушается иммунореактивность, развивается повышенная сенсибилизация по отношению к различным антигенам микробов. Кроме того, на фоне хронического инфекционного процесса наблюдается интоксикация организма и угнетение функции кроветворения. Иммунодефицит во время инфекции FIV опосредован избирательным поражением клеток иммунной системы вирусом - гельминтозы
- потеря факторов иммунной защиты наблюдается во время сильных потерь крови, при ожогах или при заболеваниях почек (протеинурия, ХПН). Общей особенностью этих патологий является значительная потеря плазмы крови или растворенных в ней белков, часть их которых является иммуноглобулинами и другими компонентами иммунной системы (белки системы комплимента, C-реактивный белок). Во время кровотечений теряется не только плазма, но и клетки крови, поэтому на фоне сильного кровотечения снижение иммунитета имеет комбинированный характер (клеточно-гуморальный)
- диарейный синдром
- стресс-синдром
- тяжелые травмы и операции также протекают со снижением функции иммунной системы. Вообще любое серьезное заболевание организма приводит к вторичному иммунодефициту. Отчасти это связано с нарушением обмена веществ и интоксикацией организма, а отчасти с тем, что во время травм или операций выделяются большие количества гормонов надпочечников, которые угнетают функцию иммунной системы
- эндокринопатии (СД, гипотиреоз, гипертиреоз) приводят к снижению иммунитета за счет нарушения обмена веществ организма. Наиболее выраженное снижение иммунной реактивности организма наблюдается при сахарном диабете и гипотиреозе. При этих заболеваниях снижается выработка энергии в тканях, что приводит к нарушению процессов деления и дифференциации клеток, в том числе и клеток иммунной системы. На фоне сахарного диабета частота различных инфекционных заболеваний значительно повышается. Связано это не только с угнетением функции иммунной системы, но и с тем, что повышенное содержание глюкозы в крови больных диабетом стимулирует размножение бактерий
- прием различных
лекарственных препаратов и наркотических
средств оказывает выраженное иммунодепрессивное
действие. Особенно выражено снижение
иммунной защиты во время приема цитостатиков, глюкокорт
икоидных гормонов, антиметаболитов, ант ибиотиков - низкая масса тела при рождении
- снижение иммунной защиты у людей старческого возраста, беременных женщин и детей связано с возрастными и физиологическими особенностями организма этих категорий людей
- злокачественные новообразования – нарушают деятельность всех систем организма. Наиболее выраженное снижение иммунитета наблюдается в случае злокачественных заболеваний крови (лейкемия) и при замещении красного костного мозга метастазами опухолей. На фоне лейкемии количество иммунных клеток в крови порой повышается в десятки, сотни и тысячи раз, однако эти клетки нефункциональны и потому не могут обеспечить нормальной иммунной защиты организма
- аутоиммунные заболевания возникают из-за нарушения функции иммунной системы. На фоне заболеваний этого типа и при их лечении иммунная система работает недостаточно и, порой, неправильно, что приводит к повреждению собственных тканей и неспособности побороть инфекцию
Возбудитель
ботулизма.
Ботулизм - токсикоинфекция, отравление животных токсином Cl. botulum. Характеризуется тяжёлым поражением ЦНС, параличами мышц глотки, языка, нижней челюсти и скелетных мышц.
Морфология.
Возбудитель ботулизма Clostrid
В России преимущественно встречаются типы А, В, Е. Возбудители ботулизма широко распространены в природе и обитают в почве. Бактерия размножается и вырабатывает токсин в процессе жизнедеятельности. Токсины вырабатываются вегетативными формами. В процессе жизнедеятельности происходит характерное для большинства клостридий газообразование.
Прогревание при температуре
80 °C в течение 30 мин вызывает гибель вегетативных
форм, однако споровые формы его хорошо
переносят, и, попадая в благоприятную
среду, прорастают. Для полного уничтожения
применяют дробную
пастеризацию-тиндализацию.
Культивирование.
Возбудители ботулизма – строгие анаэробы. На поверхности плотных питательных сред растут при условии крайне низкого остаточного давление кислорода (0,40—1,33 кПа) и температурного режима в пределах 28—35 °C, pH 7,4-7,7. Стоит так же отметить, что споры возбудителей типов Е и F могут проростать и при 4°С. Для культивирования применяются специальные среды – глюкозо-кровяной агар Цейсслера, ПГГА, среду Китт-Тароцци, бульон Хоттингера под вазелиновым маслом с кусочками мяса или печени с добавлением перед посевом 1% глюкозы.
На среде Китт-Тароцци образуется помутнение, затем появляется осадок и жидкость светлеет. Культура издает запах прогорклого масла. На агаре Цейсслера образуются прозрачные колонии – росинки, величиной в несколько миллиметров блестящей поверхностью, светло-серого или коричневого цвета и окружённые зоной гемолиза.
Биохимические свойства.
При посеве на среды с сахарами клостридия ферментирует с образованием газа и кислоты: мальтозу, глюкозу, левулёзу, глицерин, декстрин, адонит, инозит, и не разлагает галактозу, сахарозу, дульцит, маннит, арабинозу и рамнозу. Однако эти свойства не постоянны и не могут служить для дифференцировки его типов. Бактерии типов А и В обладают высокой протеолитической активностью, в то время как протеолитические свойства у типов С, Д и Е минимальны.
Патогенность.
В анаэробных условиях в организме животных, субстратах растительного происхождения, на специальных питательных средах Cl. botulum продуцирует экзотоксин, относящийся к нейротоксинам. Самый сильный токсин вырабатывает тип А – он является самым сильным ядом в природе. Каждый из 8 типов возбудителя ботулизма обладает оригинальным токсином, имеющим только ему присущую антигенную структуру. В составе токсина различают не менее 5ти факторов – нейротоксин, гемолизин, гемолизин-гемагглютинин, липазу и протеазу. Токсическими факторами так же являются ферменты патогенности – протеиназы, лецитиназы, декорбоксилазы.
Наиболее чувствительны
к ботулотоксину лошади, у них заболевание
чаще вызывается токсинами типа В, реже
А и С. КРС поражается токсинами типов
С и Д, МРС так же чувствительны к токсинам
этих типов. Свиньи в естественных условиях
проявляют значительную толерантность
к токсинам всех типов. Кошачьи и собачьи,
серые крысы резистентны к заболеванию.
К ботулизму восприимчивы птицы (голуби,
куры, индейки, утки, гуси) и человек. Рыбы,
амфибии и рептилии практически невосприимчивы.
Патогенез.
При обычном заражении
он попадает в организм вместе с
пищей, содержащей также и вегетативные
формы возбудителей — продуцент
Также в патогенезе
ботулизма большую роль играет гипоксия.
Развитие прогрессирующей острой дыхательной недостаточности обусловлено угнетением активности
больших мотонейронов передних рогов спинного мозга,
иннервирующих дыхательную мускулатуру.
Гипоксическая гипоксия нараста
Антигенная структура.
Все 8 серологических типов экзотоксина обладают иммунологической специфичностью, выявляемой реакцией нейтрализации. Специфичность токсинов А, В и Е очень высока, С и D несколько ограничена. Токсины этих двух типов не нейтрализуются антитоксинами А, В и Е, но небольшие дозы токсинов С и D нейтрализуются перекрёстно большими количествами антитоксинов D и С.
Возбудители ботулизма имеют жгутиковый Н- и соматический О-антигены, различающиеся в реакции нейтрализации. O-антиген является групповым антигеном типов А и В и Cl. sporogenes. H-антиген типоспецифичен.
Иммунитет.
По своей природе
иммунитет антитоксический. У восприимчивых
животных специфического иммунитета не
существует. Перенесённое заболевание
не оставляет иммунитета ни у животных,
ни у человека. Доказана возможность создания
стойкого иммунитета к ботулизму путём
искусственной вакцинацией анатоксином.
Диагностика.
Материалом для исследования служат пробы кормов, послуживших причиной заболевания, содержимое желудка и кишечника, кровь, паренхиматозные органы свежих трупов погибших животных. Основным методом лабораторной диагностики является обнаружение в субстратах ботулотоксина; параллельно проводят выделение культуры (удаётся не всегда).
Биопрепараты.
Для специфической профилактики используют анатоксины с адъювантами – квасцы или гидроокись алюминия.
Из животных вакцинируются только норки, так как они более чувствительны к токсину типа С и при поедании недоброкачественных кормов заболевают ботулизмом и погибают.
Вакцина против ботулизма
норок представляет собой анакультуру
штаммов типа С, преципетированную квасцами.
Вводят её однократно в дозе 1 мл в/м. Иммунитет
наступает через 2-3 недели и сохраняется
в течении года.
Рис. 1 Основные формы бактерий
Рис.2 Схема строения прокариотической клетки.
Рис.3
Жгутики и ворсинки (пили).
А – монотрих;
В – лофотрих;
С – амфитрих;
D
– перитрих.
Рис. 4 Схема строения клетки гриба.
Рис.5
Микроскопические грибы:
мукоровые, пенициллы,
аспергиллы
А
В
С
А – Мукор: 1-мицелий со спорангиеносцами; 2-спорангий; 3-спора
В – Пеницилл
С
– Аспергилл
Рис.6 Схема строения бактериофага.
Используемая
литература:
- Эпизоотология. - под ред. Р.Ф. Соколова, 2е изд., - М.: Колосс, 1974;
- Справочник ветеринарного врача. – под ред. С.Э. Иванова, - СПб.: Издательство Санкт-Петербургской академии ветеринарной медицины, 2001;
- Тимаков В.Д. - Общая эпизоотология и зоопрофилактика. – София, 1973;
- Никифоро В.Н., Никифоров В.В. – Ботулизм.- Л.: Медицина, 1985;
- Ветеринарная микробиология.- под ред. Е.В. Козловского, П.А. Емельяненко.- М.: издательство «Колосс», 1982
- Ющук Н. Д., Мартынов Ю. В., - Эпидемиология: Учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 2003.