Действие химических веществ на микроорганизмы

ТЕМА 12. Действие химических веществ на микроорганизмы

1. Характер и механизмы действия химических веществ на микроорганизмы

2. Антибиотики

3. Репарация повреждения ДНК у микроорганизмов

1. Действие химических веществ на микроорганизмы

Химические соединения по механизму действия на клетки микроорганизмов могут быть разделены на две группы:

1) повреждают клеточную стенку либо цитоплазматическую мембрану;

2) повреждают ферменты, которые участвуют в обмене веществ, либо нарушают синтез основных биополимеров клетки.

К первой группе относятся следующие химические вещества:

- повреждают структуру клеточной стенки – лизоцим и др.;

- нарушают полупроницаемость цитоплазматической мембраны - фенолы, хлороформ, крезолы, нейтральные мыла, поверхностно-активные вещества или детергенты, эфиры, ионы водорода, спирты, толуолы.

К группе химических веществ, которые повреждают ферменты и нарушают обмен веществ, относятся ионы тяжелых металлов, оксид углерода, цианиды, некоторые активные окислители – перманганат калия, пероксид водорода, хлорная известь, иод. Также ко второй группе химических веществ, которые нарушают синтез клеточных компонентов, относятся структурные аналоги соответствующих соединений – антиметаболиты. Например, структурным аналогом сукцината является малонат.

К микробостатическим агентам, которые ограничивают рост нежелательной микрофлоры в продуктах питания, косметике и др. продуктах, относятся консерванты. Консерванты не должны обладать токсичными, мутагенными, канцерогенными свойствами по отношению к организму человека.

Основные консерванты: 1) Наименее токсичными и чаще других применяемыми консервантами являются поваренная соль и сахар; 2) Широко используются органические кислоты: лимонная, молочная, уксусная и др., а также их соли; 3) Для консервирования фруктов, ягод, соков, вин используют диоксид серы(SO2), а также жидкие сульфиты; 4) Для консервирования мясных и рыбных продуктов широко применяют нитриты и нитраты, которые эффективно ингибируют рост таких опасных возбудителей, как Clostridium botulinum, вызывающих порчу богатых белком продуктов.

2. Антибиотики

Антибиотики – низкомолекулярные продукты метаболизма микроорганизмов, растений и животных либо их модификации, которые задерживают рост либо полностью подавляют развитие других микроорганизмов.

К настоящему времени выделено и описано более 3000 антибиотиков. Примерно 50 % известных антибиотиков синтезируются штаммами, которые принадлежат к актиномицетам, - к роду Streptomyces. Среди бактерий-продуцентов следует выделить бактерии рода Bacillus. Способность к синтезу антибиотиков не является строго специфическим признаком. Один и тот же антибиотик может образовываться микроорганизмами, которые относятся к разным видам, родам и даже порядкам. Кроме того, штаммы, принадлежащие к одному виду, могут синтезировать разные антибиотики.

Антибиотики в химическом отношении представляют гетерогенную группу соединений: это низкомолекулярные вещества; молекулы одних антибиотиков состоят только из атомов С и Н, но чаще из С, Н, О и N; другие антибиотики содержат также атомы серы, фосфора и галогенов; в молекулах антибиотиков представлены почти все функциональные группы, известные в органической химии; могут быть получены в кристаллическом виде.

Выделяют следующие группы антибиотиков: противовирусные, антибактериальные, антипротозойные, противогрибковые, противоопухолевые.

В соответствии с активностью в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий антибиотики можно разделить на две группы:

1) Антибиотики с узким спектром действия – их большинство, они действуют на грамположительные бактерии.

2) Антибиотики широкого спектра действия – они активны в отношении как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий.

По механизму антимикробного действия антибиотики можно разделить на несколько групп: ингибиторы синтеза клеточной стенки (пенициллины, цефалоспорины и др.); вызывающие повреждение цитоплазматической мембраны (грамицидины, полиены, трихомицин и др.); ингибиторы синтеза РНК (рифампицины и др.); ингибиторы синтеза ДНК (митомицин С, противоопухолевые и др.); ингибиторы синтеза белка (стрептомицин, канамицин, эритромицин, тетрациклины и др.).

Практическое использование антибиотиков: при лечении инфекционных заболеваний человека и животных; для защиты растений от болезней, вызываемых бактериями и грибами; для стимуляции роста сельскохозяйственных животных; для предотвращения порчи мяса, рыбы и других продуктов; в качестве инструментов для биологических исследований.

3. Репарация повреждения ДНК у микроорганизмов

Репарация (репаративный синтез) - восстановление нативной первичной структуры молекулы ДНК, т. е. исправление повреждений, спонтанно возникающих в процессе репликации и рекомбинации, либо вызванных действием внешних факторов. Репарация происходит с помощью набора специфических репаративных ферментов. Дефектность репарации ДНК наблюдается при некоторых наследственных кожных заболеваниях человека.

Различают три основных механизма репарации ДНК: 1) фотореактивация; 2) темновая (эксцизионная) репарация; 3) пострепликативная репарация.

1) Фотореактивация – восстановление молекул ДНК, поврежденных УФ-лучами, в результате последующего воздействия на них видимого света. Это самый простой и прямой механизм репарации.

2) Системы темновой репарации удаляют неправильно спаренные либо поврежденные основания из ДНК и затем синтезируют новую последовательность ДНК, которая замещает их.

3) Пострепликативная репарация. Восстановление повреждений происходит после репликации ДНК. Этот тип репарации не происходит в клетках, дефектных по рекомбинации, еще ее называют рекомбинационной репарацией. В результате рекомбинационной репарации у части дочерних молекул ДНК сохраняются повреждения ее первичной структуры.

У бактерий E. coli имеется особый механизм репарации. Система SOS-репарации включается тогда, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что жизнь клетки поставлена под угрозу. В этом случае клетка мобилизует дополнительные ресурсы и спасает свою жизнь путем ошибок. Среди выживших клеток повышается уровень мутирования.

Установлено, что многие воздействия, которые повреждают ДНК либо ингибируют ее репликацию у бактерий E. coli, индуцируют серию фенотипических изменений, получивших название SOS-ответа.

В настоящее время идентифицировано 11 генов, которые участвуют в SOS-ответе в результате активации их продуктов. Некоторые из sos-генов активны только в поврежденных клетках; другие активны и в необработанных. Механизм SOS-ответа является обратимым.