Как уже отмечалось, одно и то же химическое вещество может прояв-
лять избирательную активность в отношении микроорганизмов, действуя
только на конкретные структуры или процессы микробной клетки и не
действуя на клетки других организмов. Такие вещества удобно исполь-
зовать в терапии для лечения заболеваний микробной этиологии.
Некоторые химические вещества действуют опосредованно, т. е. при-
водят к микробостатическому эффекту, не поражая саму клетку микро-
организмов. Например, при повышении концентрации сахарозы в среде
из клеток микроорганизмов выходит вода, что задерживает их рост, т. е.
приводит к микробостатическому эффекту. На этом основано приготов-
ление варенья, джемов и т. п. При разведении этих продуктов микроор-
ганизмы восстанавливают свои функции, и в благоприятных условиях
вновь могут расти и развиваться.
Химические соединения по механизму действия на клетки микроор-
ганизмов могут быть разделены:
• на повреждающие клеточную стенку или цитоплазматическую
мембрану;
• повреждающие ферменты, участвующие в обмене веществ, а так-
же нарушающие синтез основных биополимеров клетки.
К первой группе относятся химические вещества, повреждающие
структуру клеточной стенки (лизоцим и др.), нарушающие полупрони-
цаемость цитоплазматической мембраны (фенолы, хлороформ, крезолы,
нейтральные мыла, поверхностно-активные вещества или детергенты,
эфиры, ионы водорода, спирты, толуолы). Действие фенола, хлороформа,
крезола, эфира, толуола, спирта связано в первую очередь с растворени-
ем липидов цитоплазматической мембраны, что приводит к нарушению
ее проницаемости и разрушению. Кроме того, этанол в достаточно высо-
кой концентрации (70 %) вызывает коагуляцию белков и оказывает мик-
робоцидное действие. Детергенты способны накапливаться в липопро-
теиновых мембранах (за счет того, что они, как и мембраны, имеют по-
лярную структуру) и вызывать нарушение их функций. Поскольку эти
вещества обладают широким спектром антимикробного действия, их
обычно применяют для дезинфекции различных поверхностей, материа-
лов и объектов окружающей среды.
Концентрация ионов водорода в окружающей среде действует на
микроорганизмы двояко:
1) непосредственно на полупроницаемость цитоплазматической мем-
браны;
2) косвенно или опосредованно: а) через влияние на ионное состояние
и доступность многих ионов и метаболитов; б) стабильность макромоле-
кул; в) равновесие зарядов на поверхности клетки.
При низких значениях рН понижается растворимость углекислого га-
за – источника углерода для автотрофных бактерий, а растворимость та-
ких катионов, как Cu2+, Mo2+, Mg2+, Al3+, возрастает и достигает токсич-
ных уровней. Кроме того, многие органические кислоты при низких зна-
чениях рН находятся в недиссоциированной форме и легко проникают в
клетку, становясь токсичными для нее. Наоборот, при высоких значени-
ях рН растворимость многих катионов, необходимых клетке (Fe2+, Ca2+,
Mn2+), резко понижается, они выпадают в осадок и становятся недоступ-
ными для клеток микроорганизмов.
Концентрация ионов водорода во внешней среде влияет и на равнове-
сие электрических зарядов на поверхности клетки: при низких значениях
рН увеличивается суммарный положительный заряд, при высоких – сум-
марный отрицательный заряд. Кроме того, в кислой среде разрушаются
ДНК и АТФ, а в щелочной – РНК и фосфолипиды.
В зависимости от отношения к кислотности среды бактерии могут
быть разделены на несколько групп:
1) нейтрофилы – оптимальное значение рН для роста составляет 6–8,
а рост возможен, как правило, в диапазоне от 4 до 9. К этой группе отно-
сится большинство известных микроорганизмов. Типичными нейтрофи-
лами являются штаммы бактерий Escherichia coli, Bacillus megaterium,
Streptococcus faecalis и др.;
2) ацидофилы – оптимальная кислотность среды для роста ниже 4
единиц рН. Среди них различают факультативные (интервал рН 1–9,
оптимум 2–4) и облигатные ацидофилы (интервал рН 1–5, оптимум 2–
4). В природе экстремально кислые условия встречаются в некоторых
озерах, болотах, горячих источниках. Типичными представителями об-
лигатных ацидофилов служат бактерии родов Thiobacillus, Sulfolobus,
Acetobacter и др.;
3) алкалофилы – оптимальные условия для развития находятся в
пределах значений рН 9,0–10,5, которые встречаются в щелочных поч-
вах, в местах скопления экскрементов животных. Среди алкалофилов
различают факультативных алкалофилы (интервал рН для роста 5–11,
оптимум рН 9,0–10,5), к которым относятся нитратвосстанавливающие и
сульфатвосстанавливающие бактерии, многие аммонификаторы. Обли-
гатные алкалофилы растут при высоких значениях рН – 8,5–11,0, при
оптимуме 9,0–10,5. К таким бактериям относятся Bacillus pasteurii, неко-
торые цианобактерии и др.
Однако следует отметить, что хотя микроорганизмы и могут осуще-
ствлять процессы жизнедеятельности в условиях различной кислотности
или щелочности среды, реакция внутри их клеток поддерживается всегда
близкой к нейтральной. Это достигается благодаря наличию в цитоплаз-
ме буферных систем и низкой полупроницаемости мембраны для ионов
водорода.
Способность к росту при низких или высоких значения рН обеспечи-
вает микроорганизму определенные преимущества, так как в этих усло-
виях мала конкуренция со стороны большинства других организмов.
К группе химических веществ, оказывающих микробоцидное дейст-
вие на микроорганизмы, повреждающих ферменты и вызывающих на-
рушение обмена веществ, относятся ионы тяжелых металлов, оксид уг-
лерода, цианиды, некоторые активные окислители – перманганат калия,
пероксид водорода, хлорная известь, иод.
Ионы тяжелых металлов (Hg2+, Ag+, Cu2+, Co2+, Pb2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+)
могут взаимодействовать с гидроксильными, сульфгидрильными, кар-
боксильными группами, а также аминогруппами, вызывая изменения
свойств белков и коферментов. В частности, Hg2+, Cu2+, Ag+ связывают
SH-группы и тем самым глубоко изменяют третичную и четвертичную
структуры ферментных белков. Они также блокируют сульфгидрильную
группу кофермента А. В результате ингибирования ферментных систем
нарушаются дыхание, синтез РНК и белков.
Цианиды действуют как дыхательные яды – связывая железо, они
блокируют функцию терминального дыхательного фермента цитохром-
оксидазы. Оксид углерода подавляет дыхание, конкурируя со свободным
кислородом за цитохромоксидазу, т. е. действует путем «конкурентного
торможения». Окислители KMnO4, иод, H2O2 и другие вызывают резкое
усиление окислительных процессов, приводящее к отмиранию клетки.
К группе химических веществ, нарушающих синтез клеточных ком-
понентов, относятся структурные аналоги соответствующих соедине-
ний – антиметаболиты.
В присутствии малоновой кислоты даже в низких концентрациях по-
давляется превращение сукцината в фумарат. При этом нормальный ме-
таболит сукцинат конкурирует со своим структурным аналогом малона-
том за каталитический центр сукцинатдегидрогеназы. В основе этого
конкурентного ингибирования лежит структурное сходство ингибиторов
с нормальными клеточными метаболитами.
Вторым примером конкурентного ингибирования является включение
производных сульфаниловой кислоты (сульфаниламидов) в фолиевую
кислоту (витамин Вс, или фолацин) вместо п-аминобензойной кислоты.
Это основано на том, что они имеют структурное сходство.
Большинство бактерий способно синтезировать фолиевую кислоту из
более простых компонентов. Если в состав питательной среды внести
сульфаниламид, то он будет включаться в фолиевую кислоту, что приве-
дет к синтезу неполноценного витамина и в конечном счете к остановке
роста клеток. В организме животных и человека фолиевая кислота не об-
разуется, они ее получают в готовом виде с пищей. В их клетках сульфа-
ниламид не может включаться в этот витамин и не способен, таким обра-
зом, оказывать ингибирующее действие, что используется в терапии ин-
фекционных заболеваний.
К микробостатическим агентам, которые ограничивают рост нежела-
тельной микрофлоры в продуктах питания, косметических средствах и
других, относятся консерванты. Данные вещества не должны обладать
токсичными, мутагенными или канцерогенными свойствами по отноше-
нию к организму человека. Наименее токсичными и чаще других приме-
няемыми консервантами являются поваренная соль и сахар. Их добавле-
ние в продукты уменьшает концентрацию свободной воды и тем самым
ограничивает развитие микрофлоры. Для этих целей широко использу-
ются органические кислоты: лимонная, молочная, уксусная, пропионо-
вая, бензойная, сорбиновая, а также их соли. Действие данных соедине-
ний основано на снижении рН продукта, что отрицательно сказывается
на развитии нейтрофильных и алкалофильных организмов. Кроме того,
многие органические кислоты оказываются токсичными для микроорга-
низмов.
Для консервирования фруктов, ягод, соков, вин используют диоксид
серы (SO2), а также жидкие сульфиты. Долгое время для консервирова-
ния мясных и рыбных продуктов широко применяли нитриты и нитраты,
которые эффективно ингибируют рост таких опасных возбудителей, как
Clostridium botulinum, вызывающих порчу богатых белком продуктов.
Однако выяснилось, что эти соли могут взаимодействовать с вторичны-
ми и третичными аминами, образуя нитрозамины – высоко канцероген-
ные соединения, поэтому применение нитритов и нитратов в пищевых
продуктах сейчас ограничено.
|