1. Анаэробное дыхание. Аноксигенная фототрофия прокариот
 Скачать 275.4 Kb.
|
|
Требования, предъявляемые к средам - быть питательными, то есть содержать в легко усвояемом виде все вещества, необходимые для удовлетворения пищевых и энергетических потребностей. При культивировании ряда микроорганизмов в среды вносят факторы роста — витамины, некоторые аминокислоты, которые клетка не может синтезировать. - иметь оптимальную концентрацию водородных ионов — pH, так как только при оптимальной реакции среды, влияющей на проницаемость оболочки, микроорганизмы могут усваивать питательные вещества. Для большинства патогенных бактерий оптимальна слабощелочная среда (pH 7,2-7,4). Исключение составляют холерный вибрион — его оптимум находится в щелочной зоне (pH 8,5-9,0) и возбудитель туберкулѐза, нуждающийся в слабокислой реакции (pH 6,2-6,8). Чтобы во время роста микроорганизмов кислые или щелочные продукты их жизнедеятельности не изменили pH, среды должны обладать буферностью, то есть содержать вещества, нейтрализующие продукты обмена. - быть изотоничными для микробной клетки; то есть осмотическое давление в среде должно быть таким же, как внутри клетки. Для большинства микроорганизмов оптимальная среда, соответствующая 0,5 % раствору натрия хлорида. - быть стерильными, так как посторонние микробы препятствуют росту изучаемого микроба, определению его свойств и изменяют свойства среды. - плотные среды должны быть влажными и иметь оптимальную для микроорганизмов консистенцию. - обладать определѐнным окислительно-восстановительным потенциалом, то есть соотношением веществ, отдающих и принимающих электроны, выражаемым индексом RH2. Например, анаэробы размножаются при RH2, не выше 5, а аэробы — при RH2 не ниже 10. - быть по возможности унифицированным, то есть содержать постоянное количество отдельных ингредиентов. - Желательно, чтобы среды были прозрачными — удобнее следить за ростом культур, легче заметить загрязнение среды посторонними микроорганизмами. По консистенции выделяют жидкие,плотные(1,5-3%агара)и полужидкие(0,3-0,7 %агара)среды. Агар- полисахарид сложного состава из морских водорослей,основной отвердитель для плотных (твердых) сред. В качестве универсального источника углерода и азота применяют пептоны- продукты ферментации белков пепсином, различные гидролизаты- мясной, рыбный, казеиновый, дрожжевой и др. По назначению среды разделяют на ряд групп: универсальные (простые), пригодные для различных нетребовательных микроорганизмов (мясо-пептонный бульон- МПБ, мясо- пептонный агар- МПА); специальные- среды для микроорганизмов, не растущих на универсальных средах (среда Мак- Коя на туляремию, среда Левенштейна- Иенсена для возбудителя туберкулеза);
По происхождению среды делят на естественные,полусинтетические и синтетические. 6. Бактериальная хромосома: строение, размер и копийность. Организация нуклеоида прокариот. Бактериальная хромосома состоит из одной двунитевой молекулы ДНК кольцевой формы. Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепочек. Размеры бактериальной хромосомы варьируют от 3 х 10 8 до 2,5 х 10 9 Д. Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы всегда сопровождается ее делением. Каждая прокариотная клетка содержит 1 хромосому. Нуклеоид (ядерная область) — компартмент неправильной формы внутри клетки прокариот, в котором находится генетический материал. ДНК нуклеоида имеет замкнутую кольцевую форму. Нуклеоид состоит в основном из ДНК (примерно 60 %), а также содержит РНК и белки. Последние два компонента представляют собой в основном матричную РНК и белки, регулирующие экспрессию генов бактериального генома. В состав нуклеоида входят также структурные белки, которые способствуют компактизации ДНК, то есть несут функцию, схожую с функцией гистонов в эукариотических клетках. 7. Биологический цикл железа. Железо активно вовлекается в биологический круговорот, так как входит в состав многих ферментов и гемоглобина крови. Для немногих гетеротрофов характерно использование соединений железа в качестве источника питания. В этом отношении уникальны железобактерии, окисляющие двухвалентное железо с образованием лимонита. Диатомовые водоросли способны усваивать железо из коллоидов. После отмирания организмов и их минерализации часть железа закрепляется в почве и может вновь включаться в биологический круговорот. Растворимые формы выносятся в океаны. Круговорот железа в природе происходит за счет жизнедеятельности железобактерий. Они широко распространены в водоемах, содержащих закись железа. Аутотрофные железобактерии используют растворимые закисные соли железа как источник получения энергии для биосинтетических процессов в клетке. Они переводят закисное железо в окисное. Образующийся гидрат окиси железа откладывается в виде чехла в их слизистой оболочке. После отмирания железобактерий образуются болотные или озерные руды. Иногда большое количество железобактерий, находящихся в просветах водопроводных труб, может сужать их. Накапливаясь в водоемах, железобактерии могут вызвать гибель молодняка рыб. Среди железобактерий имеются и гетеротрофные микроорганизмы. 8. Брожение. Брожение - способ получения энергии, при котором АТФ образуется в процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфолирования. Субстраты брожения: углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины. Продукты брожения: органические кислоты: молочная, масляная, уксусная, муравьиная, спирты: этиловый, бутиловый, пропиловый; ацетон, СО2, Н2 2 стадии любого брожения: 1ст - окислительная: С6Н12О6->2СН3СОСООН+[4Н] углевод пируват 2ст - восстановительная: атомы водорода используются для восстановления пирувата или образованных из него соединений. 3 пути образования пирувата из углеводов: 1) Путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (Фруктозо-бисфосфатный путь или гликолиз) C6H12O6->2CH3COCOOH+2ATF+2НАД*H2 2)Cхема Варбурга-Диккенса-Хореккера (пентозо-фосфатный цикл, гексозо-монофосфатный путь, фосфокетолазный путь, 6-фосфоглюконатный) 3) Путь Этнера-Дудорова (КДФГ - путь) Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы. Отношение микроорганизмов к излучению, температуре, гидростатическому и осмотическому давлению, магнитному полю, pH, молекулярному кислороду, влажности. Микроорганизмы распространены повсеместно, поэтому они подвергаются воздействию различных физико-химических факторов, что приводит к выработки соответствующих механизмов защиты. Некоторые микроорганизмы способны существовать в условиях широкого спектра различных факторов. Температура роста: Психрофилы – min -36, опт 20, max 25 Мезофилы 15, 25-30, 40 Термофилы 40-50, 65, 70-80 Экстремальные термофилы 50-60, 80-110, 113 Температура.По отношению к температуре выделяют: 1.Психрофилы - Облигатные (истинные) психрофилы Pseudomonas, Vibrio, Cchromobacter, Flavobacterium, Cytophaga, дрожжи, мицеальные грибы. - Факультативные психрофилы (психротрофные, психроактивные) – способны расти при 0°С, хотя их оптимум 20-30°С. Из-за них портятся продукты в холодильнике. 2. Мезофилы сапрофиты и почти все патогенные микроорганизмы 3.Термофилы археи - Облигатные - постоянно требуют таких высоких температур для роста. - Факультативные - могут расти как при высоких температурах, так и при низких (ниже 50 °C). - Термотолерантные - термотолерантный микроорганизм способен размножаться с почти одинаковой скоростью как при обычной температуре (37 °С), являющейся оптимальной для мезофильных штаммов, так и при более высокой (на 3—7° выше) температуре. Термотолерантный микроорганизм как бы безразличен к такому изменению температуры. максимальной температурой роста, равной 45—48°С - Экстремально термофильные - Гипертермофильные - некоторые экстремальные термофилы, для которых оптимальные температуры выше 80 °C. Осмотическое давление Отношение к осмотическому давлению среды: Осмотолерантные, осмофильные, галофильные. - слабогалофильные (2-5% NaCl) – морские микроорганизмы. - умеренные галофилы (5-20% NaCl) – пр. микроводоросли, Paracoccus, Vibrion. 1. Нейтрофилы ph 6-8 опт, возможен рост – 4-9 - кислотоустойчивые – 6-7, 1-9 - щелочеустойчивые – 6-7, 4-11 2. Ацидофилы –(Археи, Helicobacterpylori, Candida, Bacillus, Sulfolobus, Thermoplasma) - факультативные ацидофилы – 2-4, 1-9 - облгатные экстремальные ацидофилы 2-4, 1-5 3. Алкалофилы – опт 9-10,5 (Цианобактерии, Уробактерии, Nitrobacter, гнилостное бактерии рода Bacillus, пурпурные водоросли рода Ectothirhodospira) - Факультативные алкалофилы – возможен рост – 5-11 - блигатные алкалофилы – 9, 0 -10,5, 8,5 -11 Молекулярный кислород.
- Облигатные – требуют О2, аэробное дыхание, кожа, пыль. - Факультативные – не требуют О2, но при наличии растут лучше, тип метаболизма – аэробное дыхание или брожение, пример E.Coli, место обитания - толстый кишечник. - микроаэрофилы – требуют, но в концентации ниже атмосферной, аэробное дыхание, озерная вода
- Аэротолерантные – не требуют, рост не стимулируют, брожение, верхние дыхательные пути, молчные продукты. - Облигатные – угнетает рст или приводит к гибели, брожение или анаэробное дыхание, пр- атаногены, сульфидогены, ацетогены, ил и болота. Облигатные строгие анаэробы. Ист. Энергии:
Примеры: метанообразующие, сульфатвосстанавливающие, маслянокислые. Гидростатическое давление - Баротолерантные (факультативне) при давлении 100-500 атм - Барофильные Пьезофильные (облигатные) – растут при давлении 400-500 атм. - Экстремальные барофилы – растут при давлении свыше 500 атм. Излучение Микроорганизмы весьма существенно различаются по устойчивости к радиации, некоторые из них выделены из облученных продуктов и воды . Устойчивость связана с высокой эффективностью репарационных систем, но для большинства ультрафиолетовое и ионизирующие излучение в определенных дозах губительно. Магнитное поле. Существует несколько видов анаэробных бактерий (магнетотактических бактерии Aquaspirillum mangetotacticum) способных реагировать на внешние магнитные поля. Они содержат органеллы – магнетомсомы, в мембранах которых содержаться кристаллы магнетита или мельниковита, иногда они вместе. Магнетотактические бактерии являются природными компасами, которые ориентируются вдоль направления магнитного поля Земли. Влажность Микроорганизмы могут жить и развиваться только в среде с определенным содержанием влаги. У различных микроорганизмов потребность в воле не одинакова. Бактерии относятся в основном к влаголюбивым, при вланость среды ниже 20% их рост прекращается. Для плесеней нижний предел составляет 15%, а при значительной влажность воздухы и ниже. Оседание водяных паров на поверхность продукта способствует размножению микроорганизмов. 10.Внутрицитоплазматические включения прокариот: фикобилисомы, аэросомы, карбоксисомы, магнетосомы, хлоросомы, запасные вещества, параспоральные кристаллы и др. Внутрицитоплазматические включения (ВЦВ) прокариотических клеток ВЦВ имеют различную химическую природу и назначение в клетке. Фикобилисомы – у цианобактерий. В них – фикобилипротеиды. Располаг‐ся правильными рядами на внешн. пов‐тях внутр‐х фотосинтетических мембран – уплощенных замкнутых дисков (тилакоидов). Имеют вид гранул в виде полусферы или цилиндра; их диаметр 28‐55нм. Аэросомы (газовые вакуоли) Кажд. аэросома сост. из многочисл. продолговатых пузырьков, размером 65-115нм (диаметр) Пузырьки имеют форму веретена с заостренными концами. Они регулярно расположены и образуют структурированную структуру типа пчелиных сот. Гидрофильные радикалы белк. мол‐л обращены наружу, а гидрофобные радикалы –внутрь. В рез‐те вода не проникает в пузырьки. Мембраны пузырьков проницаемы для газов, но непроницаемы для воды.. Аэросомы позволяют клеткам нах‐ся во взвешенном состоянии в водн. среде При сжатии аэросом клетки опускаются, при расширении – всплывают.Встреч‐ся в основном у водных прокариот и в основном у безжгутиковых бактерий, в частности, у нек‐х пурпурных бактерий (Lambrocystis) Карбоксисомы (полиэдральные тела)Имеют форму многогранника с 4‐6 стронами и диаметром 90 - 500нм. Состав –рибулозо‐1,5‐бифосфаткарбоксилаза – ферм., катализирующий фиксацию СО2 нарибулозобифосфате в цикле Кальвина. Имеют белковую мембрану толщиной 3 нм. Встреч‐ся у бакт.,осуществляющих цикл Кальвина: Nitrosomonas, у многих цианобактерий. Магнитосомы Непрозрачные частицы определенной геометрической формы (кубы, октаэдры,др.),заполнены железом в форме магнетита (Fe3O4).Располагаются около мест прикрепления жгут иков.Встречается у палочек, кокков, спирил. Обеспечивают магнитотаксис ‐ движение по силовым линиям магнитного поля Земли или магнита. Хлоросомы у зеленых бактерий. Продолговатые пузырьки 90_150 нм (длина) х 25_70нм(ширина).Окружены однослойной мембраной из белка.Располагаются вблизи ЦПМ и плотно к ней примыкают. В них нах‐ся бактериохлорофилл c, d и e. ВЦВ ‐ запасные в‐ва Представлены у прокариот полисахаридами, липидами, полипептидами, полифосфатами углеводородами и отложениями серы. Параспоральные тельца (Белковые кристаллы)У Bacillusthuringiensis и родственных видов рядом со спорами можно видеть кристаллоподобные включения _параспоральные тельца. Наполнены протоксином (кристаллы протоксина). Протоксин раств_ря в кишечном соке чувствительных к нему насекомых (гусениц), освобождается токсин и разрушает кишечный эпителий, гусеница погибает. Это исп‐ся в биол. борьбе с с/х вредителями. 11.Генетика прокариот. Фенотипическая и генотипическая изменчивость. Типы мутаций.Диссоциация у бактерий. Типы рекомбинации ДНК у прокариот: трансформация, конъюгация и трансдукция. Значение мутаций и рекомбинаций прокариот. В основе изменчивости лежит либо изменение реакции генотипа на факторы окружающей среды, либо изменение самого генотипа в результате мутации генов или их рекомбинации. В связи с этим изменчивость подразделяют на наследственную и ненаследственную. Ненаследственная (средовая,фенотипическая). Ответная реакция на изменение Окр. Среды и носит адаптивный характер. Геном не изменяется и измен. Исчезает после устранение фактора. Пример Возбуд. сибир. Язвы: понижение кальция-слизистость, Повышение кальция- нет слизостости. Наследственная (генотипическая) изменчивость, связанная с мутациями, — мутационная изменчивость. Основу мутации составляют изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, полная или частичная их утрата, т. е. происходит структурная перестройка генов, проявляющаяся фенотипически в виде измененного признака. Типы мутаций. Мутации могут возникать в любых клетках организма, приводить к любым изменениям в генетическом аппарате и соответственно в фенотипе. Мутации, возникающие в половых клетках, называют генеративными. Они наследуются при половом размножении. Мутации, возникающие в неполовых (соматических) клетках, называют соматическими. Они могут наследоваться только при условии неполового или вегетативного размножения.
В процессе изучения изменчивости микроорганизмов была обнаружена особая форма изменчивости — диссоциация. Этот вид изменчивости и выражается в том, что при посеве некоторых культур на плотные питательные среды происходит разделе¬ние колоний на два типа: гладкие, круглые, блестящие колонии с ров¬ными краями — S-форма (от англ. smooth — гладкий), и плоские, непро¬зрачные колонии неправильной формы, с неровными краями — R-форма (от англ. rough— шероховатый).Диссоциация наблюдается у ряда бактерий, в частности у возбудителей сибирской язвы, чумы и др. Конъюгация бактерий состоит в переходе генетического материала(ДНК)из клетки-донора(«мужской») в клет¬куреципиент («женскую») при контакте клеток между собой. Мужская клетка содержит F-фактор, или половой фактор, который контролирует синтез так называемых половых пилей, или F-пилей. F-фактор располагается в цитоплазме в виде кольцевой двунитчатой молекулы ДНК, т. е. является плазмидой. Молекула F-фактора содержит гены, контролирующие процесс конъюгации, в том числе синтез F-пилей. При конъюгации F-пили соединяют «мужскую» и «женскую» клетки, обеспечивая переход ДНК через конъюгационный мостик или F-пили. Клетки, содержащие F-фактор в цитоплазме, обозначаются F+; они передают F-фактор клеткам, обозначае¬мым F" («женским»), не утрачивая донорской способности, так как оставляют копии F-фактора. Если F-фактор включается в хромосому, то бактерии приобретают способность передавать фрагменты хромосомной ДНК и называются Hfr-клетками (от англ. high frequency of recombination — высокая частота рекомбинаций), т.е. бактериями с высокой частотой рекомбинаций. При конъюгации клеток Hfr и клеток F" хромосома разрывается и передается с определенного участка (начальной точки) в клетку F", продолжая реплицироваться. |