Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

ВВЕДЕНИЕ

 

Микробиология – это один из разделов биологии, изучающий наиболее мелких представителей живого мира. Ее формирование как науки происходило в течение нескольких веков, и долгое время продолжалось эмпирическим путем. В настоящее время микробиология имеет несколько отраслей и направлений развития, самые перспективные из которых связаны с молекулярными и генетическими методами.

В основу данного курса лекций положены классические учебники по общей микробиологии отечественных (М. В. Гусев, Л. А. Минеева) и зарубежных (Г. Г. Шлегель, Г. Готтшалк) авторов. В курсе лекций «Микробиология с основами вирусологии» рассматриваются следующие разделы:

– становление и развитие; где описывается возникновение микробиологии, формирование ее отраслей, а также вклад отечественных ученых в развитие микробиологии в нашей стране.

– морфология и функциональная структура прокариотической

клетки; 

– разнообразие и систематика микроорганизмов; где большое внимание уделяется многообразию представителей микробного мира: бактерий и грибов, а также неклеточных форм – вирусов, вироидов и прионов

– рост микроорганизмов и их культивирование; где подчеркивается многообразие способов существования прокариот, по сравнению с эукариотическими организмами, и описываются некоторые традиционные методы культивирования микроорганизмов;

– энергетические и конструктивные процессы, протекающие в бактериальных клетках; в том числе основные пути получения энергии – брожение, дыхание и фотосинтез, а также некоторые биосинтетические пути, ведущие к построению основных углерод- и азотсодержащих соединений клетки;

– экологическая роль микроорганизмов в биосфере, в том числе их значение в почвенных, водных и воздушных экосистемах, а также в процессах поддержания гомеостаза окружающей среды.

Курс состоит из 15 лекций, рассчитан на 36 часов, предназначен для студентов биологических специальностей вузов.

 

ЛЕКЦИЯ №1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ

МИКРОБИОЛОГИИ

 

1.1. Открытие микроорганизмов

1.2. Развитие представлений о природе процессов брожения и гниения

1.3. Научная деятельность Л. Пастера

1.4. Развитие микробиологии в XIX веке

1.5. Микробиология в XX веке

1.6. Направления микробиологии (слайд 1.3)

 

1.1. Открытие микроорганизмов

 

Микробиология – наука о микроорганизмах. Объектом изучения микробиологии являются микроорганизмы – организмы, имеющие размеры в пределах 0,1 мм. К ним относятся простейшие, одноклеточные водоросли, микроскопические грибы, бактерии, вирусы (слайд 1.4). Микроорганизмы распространены в природе повсеместно. Благодаря мелким размерам, их количество в 1 г вещества может составлять миллионы и миллиарды клеток.

На протяжении длительного времени человек жил в окружении микроорганизмов, не подозревая об их присутствии. Размеры этих микросуществ лежали ниже предела видимости, на который способен человеческий глаз. Первые оптические приборы появились очень давно: в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы из горного хрусталя.

Можно считать, что с их изобретением человек сделал первый шаг на пути в микромир.

Дальнейшее совершенствование оптической техники относится к XVI– XVII вв. и связано с развитием астрономии. Микроскоп был создан в 1610 г. Г. Галилеем (1564-1642) (слайд 1.5). Изобретение микроскопа открыло новые возможности для изучения живой природы. Р. Гук (слайд 1.6) (1635-1703) обнаружил ячеистое строение древесной ткани и ввел термин «клетка» («Микрография», 1665). Дальнейшие этапы изучения микромира связаны с совершенствованием оптических приборов.

А. ван Левенгук (1632-1723) – голландский мануфактурщик, первый человек, увидевший микроорганизмы (слайд 1.7). В 1676 г. ему впервые удалось увидеть бактерии в капле воды. Результаты своих наблюдений он посылал в Лондонское Королевское общество, членом которого впоследствии был избран. 

В то время ученых волновали три основные проблемы: природа процессов брожения и гниения, причины возникновения инфекционных болезней и проблема самозарождения организмов. Именно они послужили стимулом для исследований, приведших к возникновению микробиологии.

 

Микробиология в XX веке

notatum, назвал его пенициллином. А. Флеминг не смог получить пенициллин в пригодном для инъекций виде. Эту работу выполнили в Оксфорде Х. Флори (1898-1968) и Э. Чейн (1906-1979), лишь в 1938. Открытие пенициллина, а затем других антибиотиков произвело настоящую революцию в лечении инфекционных болезней. 

З. В. Ермольева (1898-1974), выдающийся ученый-микробиолог и биохимик, создатель ряда отечественных антибиотиков (слайд 1.34). Ее основные труды по изучению холеры и антибиотикам. Ею был разработан метод экспресс-диагностики холеры. В Ташкентском институте вакцин и сывороток был создан и применен комплексный препарат бактериофага, который был способен бороться с возбудителями таких опасных заболеваний, как холера, брюшной тиф и дифтерия. Производство этого препарата было организовано в Сталинграде во время войны. Ежедневно его принимали 50 тыс. человек.

Величайшей заслугой Ермольевой является то, что она не только первой в нашей стране получила пенициллин, но и активно участвовала в организации и налаживании его промышленного производства в годы Великой Отечественной войны.

 «Рождение» пенициллина послужило импульсом для создания других антибиотиков: стрептомицина, тетрациклина, левомицетина и др. Кроме того, Ермольева первой из отечественных ученых начала изучать интерферон как противовирусное средство. 

В годы Великой Отечественной войны возникла потребность в большом количестве продуктов микробного происхождения, что привело к развитию промышленных методов их получения. 

В. Н. Шапошников (1884-1968) – основатель промышленной микробиологии, заложил основы промышленного производства молочной и масляной кислот, ацетона, бутилового спирта и др. (слайд 1.35)

В. С. Буткевич (1872-1942) – разработал микробиологический способ получения лимонной кислоты. Широко известны его работы о роли микроорганизмов в образовании железомарганцевых руд. (слайд 1.36)

С. П. Костычев (1877-1931) изучал химизм дыхания и брожения и обнаружил генетическую связь между этими процессами. Совместно с В. С. Буткевичем С. П. Костычев разработал технологию промышленного получения лимонной кислоты с помощью гриба Aspergillus niger.

 

1.6. Направления микробиологии

 

С начала XX в. продолжается дальнейшая дифференциация микробиологии. 

Общая микробиология: изучает морфологию, физиологию, экологию, систематику, генетику микроорганизмов; участие микроорганизмов в круговороте веществ в природе (слайд 1.37).

Направления микробиологии

Водная микробиология: изучает роль микробов в круговороте веществ в природе, разрабатывает микробиологические способы очистки промышленных и сточных вод.

Почвенная микробиология: изучает видовой состав различных групп микроорганизмов, населяющих почву, их численность и зависимость от внешних условий, биохимическую деятельность почвенных микроорганизмов, их роль в эволюции и плодородии почвы, а также взаимодействие друг с другом и с высшими растениями.

Медицинская и ветеринарная микробиология: изучает патогенные и условно-патогенные микроорганизмы, их роль в развитии инфекционной патологии. Границы современной медицинской микробиологии значительно расширились. Из нее выделились вирусология, иммунология, санитарная микробиология.

Сельскохозяйственная микробиология: изучает роль микроорганизмов в почвообразовании и плодородии почвы. Изучает патогенные для растений микроорганизмы, способы защиты растений от болезней и вредителей. 

Космическая микробиология: изучает влияние на микроорганизмы космических условий, наличие микробов на других планетах и в метеоритах, способы предупреждения заноса земных микроорганизмов на другие планеты и заноса микробов из космоса на Землю. Важным вопросом является решение проблемы круговорота веществ в космических кораблях, для обеспечения жизнедеятельности человека в длительных космических полетах.

Геологическая микробиология: исследует роль микробов в круговороте элементов земной коры, в образовании полезных ископаемых, горных пород, разрабатывает микробиологические способы получения металлов из руд.

Промышленная микробиология (биотехнология) превратилась в мощную производительную силу. Задачей этой важной области является разработка и промышленное получение микробным синтезом различных соединений, микробных удобрений, БАВ (антибиотиков, ферментов, витаминов, гормонов, вакцин). 

Генетика микроорганизмов – одно из наиболее прогрессирующих направлений современной микробиологии. Предметом этой науки является молекулярная структура генов прокариотов, закономерности функционирования и репликации генов, процессы мутагенеза, конструирование методом генной инженерии новых штаммов с заданными способностями биосинтеза веществ.

 

 

Размеры микроорганизмов

 

Объекты, относимые к микроорганизмам, выделены по признаку их малых размеров и одноклеточных форм. Диапазон размеров микроорганизмов велик. Размеры одноклеточных зеленых водорослей и клеток дрожжей составляют десятки микрометров. Линейные размеры бактерий в среднем 0,5-3 мкм, нитчатые формы могут достигать в длину до 1 мм (слайд 2.4).

Самые мелкие из известных прокариотных клеток – бактерии, принадлежащие к группе микоплазм – 0,1-0,15 мкм. Этот размер является теоретическим пределом клеточного уровня организации жизни, при котором в клетке еще может быть минимум молекул белка (порядка 1200) и минимум ферментных реакций, необходимых для поддержания клеточной структуры. Мельчайшие микоплазменные клетки равны или даже меньше частиц вирусов. 

Бактериальные клетки обычно можно увидеть в световой микроскоп. Размеры большинства вирусов находятся в диапазоне 16-200 нм (10-9) и лежат за пределами его разрешающей способности. Впервые наблюдать вирусы и выяснить их структуру удалось после изобретения электронного микроскопа. По своим размерам вирусы занимают место между самыми мелкими бактериальными клетками и самыми крупными органическими молекулами.

 

Морфология клеток

 

Микроорганизмы по форме делятся на группы: сферические, цилиндрические, спиральные, необычной формы и нитчатые (слайд 2.5).

Сферические бактерии, или кокки, имеют округлую форму. В зависимости от расположения клеток после их деления подразделяются на группы (слайд 2.6). 

Микрококки – делятся в одной плоскости, и после деления клетки располагаются одиночно. Диплококки – делятся в одной плоскости, и после деления их клетки располагаются попарно. Стрептококки – делятся в одной плоскости, после деления между клетками сохраняется связь, и они располагаются в виде цепочек. Тетракокки – делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и после деления образуют тетрады. Сарцины –делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и после деления

Морфология клеток

располагаются в виде пакетов из 8, 16, 32, 64 клеток. Стафилококки – делятся в нескольких плоскостях, после деления клетки располагаются в виде виноградной грозди.

Кокки не всегда бывают правильной круглой формы, они могут быть ланцетовидными, удлиненными, чечевицеобразными, бобовидными и др. 

Цилиндрическая форма характерна для большинства бактерий.

Палочковидные формы бактерий различаются по длине, по поперечному диаметру, по форме концов клеток и характеру их расположения. 

Спиральной формы бактерии различаются количеством и характером завитков, длиной и толщиной клеток. Их подразделяют на негнущиеся (вибрионы, спириллы) и изгибающиеся (спирохеты) формы.

Необычные формы бактерий морфологически разнообразны. Тороидальные – замкнутые или незамкнутые кольца. Звездообразные клетки напоминают шестиугольную звезду. Тубероидальные клетки – это палочковидные бактерии со сферическими вздутиями. Форма плоских квадратных пластинок и коробочковидных плоских клеток геометрически разнообразной формы характерна архебактериям. Встречаются червеобразные клетки с заостренными тонкими концами и др. 

Нитчатые формы бактерий – это палочковидные клетки, которые соединяются в длинные цепочки, объединяемые слизью, чехлами, плазмодесмами (мостиками) или общей оболочкой. Нити трихомных бактерий могут быть свободноплавающими или прикрепленными к субстрату. 

Большинство бактерий одноклеточны, но имеются формы, состоящие из многих клеток. Примером истинно многоклеточных прокариотов с функциональной дифференциацией являются азотфиксирующие цианобактерии, у которых фиксация азота осуществляется гетероцистами – специализированными неделящимися клетками. Как правило, трихомные бактерии, стафилококки и др. образуют скопления клеток, не имеющих функциональной дифференциации – многоклеточные комплексы. 

Все перечисленные формы бактерий характеризуются постоянством формы клетки. Однако имеются полиморфные бактерии. К ним относятся бактерии, которые лишены клеточной стенки; бактерии, у которых в цикле развития наблюдается смена форм клеток кокк-палочка-кокк; это могут быть и слабоветвящиеся формы. У ряда бактерий клетки могут образовывать различной формы выросты – простеки.

 

Покоящиеся формы

 

Эндоспоры – это особый тип покоящихся клеток грамположительных бактерий, формирующихся внутри цитоплазмы материнской клетки (слайд

2. 9). В каждой бактериальной клетке формируется одна эндоспора (слайд 2.10). Эндоспоры обладают многослойными белковыми покровами, наружной и внутренней мембранами, кортексом. Кроме того, они устойчивы к высоким температурам и радиации, летальным в норме для вегетативных клеток (слайд 2.11). 

Образование эндоспор – процесс, происходящий только в мире прокариотов. Этапы формирования эндоспоры на примере бактерий родов Bacillus и Clostridium (слайд 2.12). 

1. У одного из полюсов клетки часть цитоплазмы вместе с генетическим материалом уплотняется и обособляется с помощью перегородки. Перегородка формируется впячиванием внутрь клетки ЦПМ. Эта стадия формирования споры напоминает клеточное деление. 

2. Образование проспоры – «обрастание» отсеченного участка мембраной вегетативной клетки. Проспора расположена внутри материнской клетки и полностью отделенная от нее двумя элементарными мембранами: наружной и внутренней.

Описанные этапы формирования споры обратимы. Если к спорулирующей культуре добавить хлорамфеникол (ингибитор белкового синтеза), то можно остановить «обрастание» и процесс спорообразования превратится в процесс клеточного деления. После образования проспоры дальнейшие этапы спорообразования уже необратимы. 

3. Формирование кортекса между наружным и внутренним мембранными слоями проспоры.

4. Синтез споровых покровов поверх наружной мембраны. Число, толщина и строение покровов различаются у разных видов бактерий. В формировании слоев споровых покровов принимает участие как наружная мембрана споры, так и протопласт материнской клетки.

5. Формирование многослойного экзоспориума поверх покровов споры. 

Покоящиеся формы

Все слои, окружающие протопласт эндоспоры, находятся внутри материнской клетки. На их долю приходится примерно половина сухого вещества споры. После сформирования споры происходит разрушение (лизис) «материнской» клеточной стенки, и спора выходит в среду. Отличия споры от вегетативной клетки (слайд 2.13):

1. Белки эндоспор богаты цистеином и гидрофобными аминокислотами, с чем связывают устойчивость к действию неблагоприятных факторов.  

2. Содержание ДНК и РНК в споре ниже, чем в исходной вегетативной клетке.

4. Накопление в спорах дипиколиновой кислоты и ионов кальция в эквимолярных количествах. Эти соединения образуют комплекс, локализованный в сердцевине споры. Обеспечивает термоустойчивоть споры.

5. Повышенное содержание других катионов (Mg2+, Mn2+, K+), с которыми связывают пребывание спор в состоянии покоя и их термоустойчивость.

Покоящиеся клетки бактерий характеризуются низким уровнем метаболизма. В первую очередь дыхания. Для всех покоящихся форм характерна повышенная устойчивость к действию разнообразных повреждающих факторов: высоких и низких температур, обезвоживанию, высокой кислотности среды, радиации, механических воздействий и др. В наибольшей степени эта устойчивость проявляется у эндоспор. Для эндоспор основными факторами, обеспечивающими их устойчивость, предположительно является дегидратация (обезвоженность цитоплазмы), термостойкость споровых ферментов, а также наличие дипиколиновой кислоты и большого количества двухвалентных катионов. Большой вклад в устойчивость спор вносят поверхностные структуры. 

Условия, способствующие образованию покоящихся клеток: наличие или отсутствие определенных питательных веществ в среде (метаболитов), изменение температуры, кислотности среды, условий аэрирования (слайд

2. 14). 

Помимо факторов внешней среды, обнаружены специфические вещества – индукторы спорообразования. Такие вещества могут выделяться в культуральную среду или накапливаться внутри клетки. 

Сформированные покоящиеся клетки могут долгое время находиться в жизнеспособном состоянии и прорастать в подходящих условиях. Процесс прорастания состоит из нескольких этапов: активации, инициации и вырастания. 

Экзоспоры – в отличие от эндоспор формируются снаружи (слайд 2.15). У большинства актиномицетов споры формируются путем деления гифы перегородками на участки, каждый из которых представляет собой будущую спору. Образование экзоспор сопровождается уплотнением и утолщением клеточной стенки. У экзоспор отсутствуют дипиколиновая кислота и характерные для эндоспор структуры (кортекс, экзоспориум). У

Покоящиеся формы

актиномицетов споры являются покоящимися клетками и одновременно репродуктивными структурами.

Экзоспоры бактерий из рода Methylosinus и Rhodomicrobium формируются в результате отпочкования от одного из полюсов материнской клетки.

Цисты встречаются у разных групп бактерий (слайд 2.16). Могут морфологически не отличаться от вегетативных клеток. У азотобактера образование цист сопровождается изменением морфологии клетки, потерей жгутиков и накоплением в цитоплазме поли-β-оксимасляной кислоты; одновременно происходит синтез дополнительных клеточных покровов: внешних (экзина) и внутренних (интина), различающихся структурно и химическим составом. 

Акинеты – покоящиеся клетки некоторых цианобактерий. Они крупнее вегетативных клеток, имеют продолговатую или сферическую форму, гранулированное содержимое и толстую оболочку. Прорастание акинет происходит иногда вскоре после их образования или только после перенесения в свежую питательную среду.

Цисты и акинеты более устойчивы к нагреванию, высушиванию, различным физическим воздействиям, чем вегетативные клетки.

Гетероцисты и бактероиды участвуют в фиксации атмосферного азота (слайд 2.17). Гормогонии, баеоциты – образуются у цианобактерий и служат для размножения (слайд 2.18).

 

 

 

СОСТАВ ПРОКАРИОТОВ

 

3.1. Общее строение прокариотической клетки

3.2. Поверхностные структуры клетки

3.2.1. Строение клеточной стенки

3.2.2. Капсулы, слизистые слои и чехлы

3.2.3. Жгутики и механизмы движения

3.2.4. Ворсинки

3.3. Мембранные структуры клетки

3.4. Цитоплазма и ее содержимое 

3.5. Клеточные включения

3.6. Генетический аппарат (слайд 3.3)

 

Строение клеточной стенки

 

Клеточная стенка – важный и обязательный структурный элемент большинства бактерий. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50% сухих веществ клетки (слайд 3.7). 

В состав клеточной стенки входят специфические полимерные комплексы, которые не содержатся в других структурах. Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком. В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты окрашиваются по-разному и делятся на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Способ окраски был предложен в 1884 г. датским ученым X. Грамом, занимавшимся окрашиванием тканей

(слайд 3.8). 

Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре.

Клеточная стенка грамположительных бактерий плотно прилегает к ЦПМ. Под электронным микроскопом она выглядит как гомогенный электронно-плотный слой, толщина которого колеблется от 20 до 80 нм. 

У грамположительных бактерий пептидогликан составляет основную массу вещества клеточной стенки (40-90%). Пептидогликан – это гетерополимер, состоящий из чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой β-1,4гликозидными связями (рисунок). К N-ацетилмурамовой кислоте присоединен короткий пептидный хвост, состоящий из небольшого числа (обычно 4–5) аминокислот. У грамположительных бактерий обнаружено более 100 различных химических типов пептидогликана. Большинство различий относится к пептидной части его молекулы (слайд 3.9). Две особенности пептидного хвоста: 

1. наличие аминокислот в D-форме (неприродная конфигурация) и 2. высокое содержание аминокислот с двумя аминогруппами. 

Вторые аминогруппы участвуют в формировании дополнительных пептидных связей между гетерополимерными цепочками.

В состав клеточных стенок грамположительных бактерий входят тейхоевые кислоты. Это полимеры, построенные на основе рибита или глицерина, соединенных между собой фосфодиэфирными связями. Некоторые свободные гидроксильные группы в молекулах спиртов могут быть замещены остатками D-аланина, глюкозы, N-ацетилглюкозамина и некоторых других сахаров (слайд 3.10). 

Тейхоевые кислоты ковалентно соединяются с N-ацетилмурамовой кислотой. Как полианионы тейхоевые кислоты определяют поверхностный заряд клетки. Сахарные компоненты тейхоевых кислот входят в состав рецепторов для некоторых бактериофагов и определяют возможность адсорбции фага на клеточной поверхности (слайд 3.11).

В составе клеточной стенки грамположительных бактерий в небольших количествах также найдены полисахариды, белки и липиды. 

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий многослойная. Внутренний электронно-плотный слой (2-3 нм) состоит из пептидогликана.

Снаружи к нему прилегает волнистый слой (8-10 нм), имеющий строение, характерное для элементарных мембран – наружная мембрана. Слой пептидогликана отделен от ЦПМ периплазматическим пространством. У грамотрицательных бактерий содержание пептидогликана значительно меньше (1-10%). У большинства видов он образует одно- или двухслойную структуру с довольно редкими поперечными связями между цепями (слайд

3.12). 

Наружная мембрана состоит из фосфолипидов, типичных для элементарных мембран; белков; липопротеина и липополисахарида. Специфическим компонентом наружной мембраны является липополисахарид (ЛПС), занимающий около 30-40 % ее поверхности и локализованный во внешнем слое. ЛПС содержат три участка: липид А, сердцевинную часть и О-специфическую полисахаридную цепь. ЛПС являются антигенами бактерий (слайд 3.13).

Белки-порины пронизывают наружную мембрану насквозь и формируют гидрофильные поры, через которые осуществляется неспецифическая диффузия молекул. Минорные белки наружной мембраны представлены большим числом видов. Их основная функция – транспортная и рецепторная.

Необычные клеточные стенки прокариот. Некоторые скользящие бактерии способны в процессе перемещения по твердому субстрату менять форму клеток, что говорит об эластичности их клеточной стенки, и в первую очередь ее пептидогликанового слоя. Наиболее вероятное объяснение гибкости клеточной стенки этих бактерий – чрезвычайно слабая сшитость ее пептидогликанового компонента (слайд 3.14).

Клеточная стенка архебактерий по структуре и химическому составу резко отличается от описанных выше типов. Клеточные стенки метанобразующих архебактерий содержат пептидогликан особого химического строения. У других представителей этой группы клеточная стенка может состоять из кислого гетерополисахарида или только из белка. Архебактерии с клеточной стенкой белковой природы не окрашиваются по

Граму, остальные типы архебактериальной клеточной стенки дают грамположительную реакцию.

Прокариоты без клеточной стенки. Протопласты – клетки, лишенные клеточной стенки (слайд 3.15). Получают их из грамположительных бактерий, с помощью литических ферментов: лизоцима, эндопептидаз, амидаз, гликозидаз и др. 

Независимо от формы исходных клеток бактерий протопласты всегда приобретают сферическую форму. В протопластах осуществляются основные процессы жизнедеятельности: дыхание, синтез белков, нуклеиновых кислот, спорообразование. Они могут увеличиваться в размерах, фиксировать азот (у азотфиксирующих бактерий). Протопласты не способны ресинтезировать клеточную стенку, редко делятся, не адсорбируют фаги, так как рецепторы фагов локализованы в клеточной стенке. При некоторых условиях (например, в 30 %-м желатине) в протопластах можно индуцировать регенерацию клеточных стенок и они реверсируют в исходную форму, но это происходит чрезвычайно редко. Протопласты используют в функциональной анатомии бактерий, для выделения и изучения мембранных структур, в генетике бактерий.

Сферопласты – бактериальные клетки, частично лишенные клеточной стенки (слайд 3.16). Их обнаруживают в старых культурах, в условиях несбалансированного роста, под влиянием иммунных сывороток и др. Их легче всего получать под влиянием пенициллина в гипертоническом растворе сахарозы или NaCI (осмотические стабилизаторы). Пенициллин предотвращает образование пептидогликана у растущих клеток, нарушая процесс образования поперечных связей между пептидными цепочками муреина.

Сферопласты отличаются от протопластов тем, что адсорбируют фаги, так как частично сохраняют клеточную стенку, размножаются, легко реверсируют в исходную клеточную форму при устранении факторов, вызвавших их образование. Общими свойствами протопластов и сферопластов являются большие размеры, отсутствие клеточных мембран типа мезосом, чрезвычайная чувствительность к осмотическим условиям. 

L-формы бактерий – образуются при антибиотикотерапии в условиях нарушения биосинтеза пептидогликана и полностью или частично лишены его (слайд 3.17). У L-форм бактерий нарушается функция размножения при сохранении функции роста, в результате чего значительно увеличиваются размеры клеток, которые превращаются в гигантские (до 50 мкм) шаровидные, нитевидные, грушевидные сильно вакуолизированные формы. L-формы обладают метаболической активностью, способностью к делению и слиянию их элементов. L-формы медленно (1-4 и более недель) растут в виде характерных колоний с врастающим в среду слегка пигментированным центром и нежным кружевным краем (яичница). 

L-формы болезнетворных бактерий – патогенные. Они сохраняют способность продуцировать токсины и другие вещества, синтез которых осуществляется в цитоплазме либо в цитоплазматической мембране. Заболевания, обусловленные реверсией L-форм, характеризуются длительностью течения, меньшей смертностью, большей инвалидностью. Lформы имеют приспособительное значение для клетки как способ переживания бактериями неблагоприятных условий (слайд 3.18).

Функции клеточной стенки прокариот (слайд 3.19):

1. Поддержание внешней формы клетки.

2. Защита от воздействий окружающей среды.

3. Защита от внутреннего осмотического давления. 

4. Транспорт веществ и ионов, необходимых клетке.

5. Препятствует проникновению токсических веществ и антибиотиков. 

6. Изолирует содержимое клетки от гидролитических ферментов, 7. Содержит транспортные белки и гидролитические ферменты. 

8. Содержит специфические рецепторы и антигены.

9. Обеспечивает межклеточные взаимодействия при конъюгации, а также между патогенными бактериями и тканями высших организмов.

 

Ворсинки

 

Ворсинки или фимбрии, пили (слайд 3.30). Их насчитывается от нескольких единиц до нескольких тысяч на клетку. Эти структуры не имеют отношения к движению бактерий и обнаружены у подвижных и неподвижных форм. Ворсинки построены из одного вида белка – пилина – и представляют собой прямые белковые цилиндры, отходящие от поверхности клетки. Они, как правило, тоньше жгутиков (диаметр – 5-10 нм, длина 0,2-2,0 мкм), расположены перитрихиально или полярно. 

Описаны ворсинки общего типа и половые. Ворсинки общего типа придают бактериям свойство гидрофобности, обеспечивают их прикрепление к клеткам растений, грибов и неорганическим частицам, принимают участие в транспорте метаболитов. Через ворсинки в клетку могут проникать вирусы.

Половые ворсинки, или F-пили, принимающие участие в половом процессе бактерий (слайд 3.31). F-пили необходимы клетке-донору для обеспечения контакта между ней и реципиентом и в качестве конъюгационного тоннеля, по которому происходит передача ДНК. Ворсинки не являются обязательной клеточной структурой.

 

Мембранные структуры клетки

 

Содержимое клетки отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной (ЦПМ). Это – обязательный структурный элемент любой клетки, нарушение целостности которого приводит к потере жизнеспособности. На долю ЦПМ приходится 8-15% сухого вещества клеток (слайд 3.32). У большинства прокариотных клеток ЦПМ – единственная мембрана. В клетках фототрофных и ряда хемотрофных прокариот мембранные структуры содержатся также в цитоплазме

(внутрицитоплазматические мембраны). 

По структуре ЦПМ бактерий является типичной биологической мембраной, состоящей из белков и липидов. В некоторых бактериальных мембранах в значительных количествах обнаружены углеводы (слайд 3.33).

Главная функция липидов – поддержание механической стабильности мембраны и придание ей гидрофобных свойств. При «биологических»

Мембранные структуры клетки

температурах мембранные липиды находятся в жидкостно-кристаллическом состоянии. Это свойство обусловливает высокую эластичность мембран: они легко сливаются друг с другом, растягиваются и сжимаются. При понижении температуры они переходят в квазикристаллическое состояние. Чем более ненасыщены и разветвлены остатки жирных кислот или чем большее число циклических группировок они содержат, тем ниже температура перехода из жидкостно-кристаллического состояния в квазикристаллическое.

Мембранные белки – это, как правило, ферменты. По аминокислотному составу мембранные белки не отличаются от других клеточных белков. 

Функции ЦПМ прокариот (слайд 3.34): 

1. Барьерная или разъединяющая.

2. Ферментативная (в ЦПМ локализованы ферменты).

3. Энергетическая (в ЦПМ расположены переносчики цепи электронного транспорта). 

4. ЦПМ принимает участие в репликации хромосомы.

5. Интегрирующая (объединяет клетку в единое целое). 

6. Транспортная (осуществляется с использованием разных механизмов мембранного транспорта). 

Выделяют 4 типа транспортных систем: пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, перенос химически модифицированных молекул.

Цитоплазма и ее содержимое

 

Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, называется цитоплазмой. Фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию и содержащая набор растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов метаболических реакций, получила название цитозоля. Другая часть цитоплазмы представлена разнообразными структурными элементами:

Цитоплазма и ее содержимое

внутрицитоплазматическими мембранами, генетическим аппаратом, рибосомами и включениями (слайд 3.38).

Рибосомы – место синтеза белка – рибонуклеопротеиновые частицы размером 15-20 нм (слайд 3.39). Их количество в клетке зависит от интенсивности процессов белкового синтеза и колеблется от 5000 до 90 000. Общая масса рибосом может составлять примерно 1/4 клеточной массы.

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S. Они построены из двух субчастиц: 30S и 50S. 30S-частица содержит одну молекулу 16S-рРНК и в большинстве случаев по одной молекуле белка. 50S-субъединица состоит из двух молекул рРНК (23S и 5S). В ее состав входят более 30 различных белков, представленных одной копией. Большая часть рибосомальных белков выполняет структурную функцию.

Синтез белка осуществляется агрегатами, состоящими из рибосом, молекул информационной и транспортных РНК и называемыми полирибосомами, или полисомами, которые могут находиться в цитоплазме или же быть связанными с мембранными структурами.

 

Клеточные включения

 

Запасные вещества прокариот представлены полисахаридами

(гликоген, крахмал и гранулеза), липидами, полипептидами, полифосфатами (волютин), отложениями серы (слайд 3.40). 

Включения карбоната кальция (известковые тельца) обнаружены в клетках некоторых серобактерий. Предполагают, что они выполняют функцию нейтрализаторов среды, соединяясь с серной кислотой, образующейся при окислении внутриклеточной серы.

Кристаллоподобные включения Bacillus thuringiensis называют параспоральными, так как они располагаются в клетке рядом со спорой. Эти включения белковой природы высокотоксичные для насекомых. Кристаллоподобные включения не токсичны для позвоночных животных и растений и это обусловило их широкое применение в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми – вредителями растений.

Все запасные вещества представлены в виде высокомолекулярных полимерных молекул, в ряде случаев отграниченных от цитоплазмы белковой мембраной, т. е. находятся в осмотически неактивном состоянии. Это важно, так как в противном случае сосредоточение в цитоплазме большого числа молекул осмотически активных веществ оказало бы на клетку отрицательное действие.

 

Генетический аппарат

 

У прокариот ДНК (нуклеоид) представляет собой компактное образование, занимающее центральную область в цитоплазме и не отделенное от нее мембраной (слайд 3.41). Вся генетическая информация

Генетический аппарат

прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму ковалентно замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы. Длина молекулы в развернутом виде может составлять более 1 мм. Хромосомы прокариот представляют собой высокоупорядоченную структуру, имеющую константу седиментации 1300-2000S для свободной и 3200-7000S для связанной с мембраной формы. В том и другом случае часть ДНК в этой структуре представлена системой из 20-100 независимо суперспирализованных петель. В обеспечении суперспирализованной организации хромосом участвуют молекулы РНК (слайд 3.42) .

Согласно существующим представлениям суперспирализованные петли соответствуют неактивным в данное время участкам ДНК и находятся в центре нуклеоида. По его периферии располагаются деспирализованные участки, на которых происходит синтез информационной РНК (иРНК), при этом, поскольку у бактерий процессы транскрипции и трансляции идут одновременно, одна и та же молекула иРНК может быть одновременно связана с ДНК и рибосомами.

Хромосомы большинства прокариот имеют молекулярную массу в пределах 1-3×10⁹ Да. В группе микоплазм генетический материал представлен молекулами, имеющими наименьшее для клеточных организмов количество ДНК (0,4-0,8×10⁹), а наибольшее содержание ДНК обнаружено у нитчатых цианобактерий (8,5×10⁹). 

Часто в экспоненциально растущей культуре количество ДНК на клетку может достигать массы 3, 4, 8 и более хромосом. Нередко в клетках при действии на них определенных факторов (температуры, pH среды, ионизирующего излучения, солей тяжелых металлов, некоторых антибиотиков и др.) происходит образование множества копий хромосомы. При устранении воздействия этих факторов, а также после перехода в стационарную фазу в клетках, как правило, обнаруживается по одной копии хромосомы.

Молекула ДНК несет множество отрицательных зарядов, поскольку каждый фосфатный остаток содержит ионизированную гидроксильную группу. В клетках подавляющего большинства прокариот не обнаружено гистонов, поэтому нейтрализация зарядов осуществляется взаимодействием ДНК с полиаминами (спермином и спермидином), а также с ионами Mg²⁺. У некоторых архебактерий и цианобактерий обнаружены гистоны и гистоноподобные белки, связанные с ДНК. Содержание пар оснований А+Т и Г+Ц в молекуле ДНК является постоянным для данного вида организма и служит важным диагностическим признаком. У прокариот молярная доля ГЦ в ДНК колеблется в очень широких пределах: от 23 до 75%.

Деление молекулы ДНК (репликация) происходит по полуконсервативному механизму (слайд 3.43). Репликация ДНК начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к ЦПМ, где локализован ферментативный аппарат, ответственный за репликацию. Контакт ДНК с ЦПМ осуществляется посредством мезосом. Репликация идет в двух

Генетический аппарат

противоположных направлениях. Возникающие дочерние хромосомы остаются прикрепленными к мембране. Репликация молекул ДНК происходит параллельно с синтезом мембраны в области контакта ДНК с ЦПМ. Это приводит к разделению дочерних молекул ДНК и оформлению обособленных хромосом.

Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находятся плазмиды – также замкнутые в кольцо ДНК, способные к независимой репликации(слайд 3.44). Они могут быть настолько велики, что становятся неотличимы от хромосомы, но содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях. В них кодируются механизмы устойчивости к антибиотикам, разрушения специфических веществ и т. д., nif-гены, необходимые для азотфиксации также находятся в плазмидах. Специальные механизмы распределения обеспечивают сохранение плазмиды в дочерних клетках. 

В ДНК бактерий выделяются транспозоны – мобильные сегменты, способные перемещаться из одной части хромосомы к другой, или во внехромосомные ДНК (в том числе в другие клетки). Эти сегменты неспособны к автономной репликации (слайд 3.45).

Химический состав одноклеточных организмов. Вес сырой биомассы бактерий определяют после отделения клеток от жидкой питательной среды путем центрифугирования. Осевшая клеточная масса содержит 70-85% воды; таким образом, сухая биомасса составляет 15-30% от сырой массы. Если клетки содержат много запасного материала (липиды, полисахариды, полифосфаты или серу), доля сухой массы больше (слайд 3.46). Сухое вещество бактерий – это в основном полимеры [белки (50%), компоненты клеточной стенки (10-20%), РНК (10-20%), ДНК (3-4%)], а также липиды (10%). Десять важнейших химических элементов представлены в клетках бактерий примерно следующим образом: углерод-50%, кислород - 20%, азот-14%, водород-8%, фосфор-3%, сера-1%, калий-1%, кальций-0,5%, магний-0,5% и железо 0,2%.

 

 

ПРОКАРИОТОВ

 

4.1. Положение микроорганизмов в системе живого мира

4.2. Классификация прокариотов

 

Классификация прокариотов

 

Одна из задач систематики прокариот, как и других живых существ, распределение множества организмов по группам (слайд 4.6). 

Для характеристики организмов используют разнообразные признаки:

морфологические, цитологические, культуральные, физиологические, биохимические, иммунологические, генетические и др. 

В систематике бактерий для наименования объекта используют бинарную номенклатуру К. Линнея. Названия бактериям присваивают в соответствии с правилами «Международного кодекса номенклатуры бактерий» разработанного в 1948 г. комиссией по номенклатуре и

Классификация прокариотов

 

 

таксономии бактерий. От Ботанического кодекса он отличается тем, что типом вида в нем служит штамм.

Биологическая концепция вида разработана зоологами. Трудность ее применения в микробиологии связана с тем, что прокариоты и многие эукариотические микроорганизмы не обладают полом и критерий репродуктивной изоляции к ним неприменим (слайд 4.7). 

Понятие микробиологического вида в настоящее время не удается согласовать с биологической концепцией вида, микробиологи используют его таксономическое определение. Вид бактерий может быть определен как совокупность штаммов с высоким уровнем последовательностей ДНК, а также фенотипических признаков. Различия между штаммами не выходят за пределы вида. Клон – еще более узкое понятие, это культура, выделенная из одной клетки.

Исходная дата для названия таксонов МКНБ принимается 1 января

1980 г. Названия, признанные правильными, были включены в «Одобренные списки названий бактерий», не включенные в них названия потеряли свое положение в номенклатуре.

Существуют 2 типа систематики биологических объектов (слайд 4.8): 

1. Филогенетическая в основе которой лежит установление родственных (генетических, эволюционных) связей между организмами. 

2. Практическая, или искусственная, цель которой – выявление степени сходства между организмами для быстрой их идентификации и установления принадлежности к определенным таксонам. 

Если существующая систематика высших организмов отражает эволюционные связи между ними, то попытка создания на этой же основе систематики прокариот не была успешной. В XX в. проблема систематики бактерий стала настоятельной в связи со стремительным увеличением объема знаний об этих организмах.

Вначале основное внимание уделяли морфологическим признакам бактерий. О. Ф. Мюллер (1730-1784) в 1773 г разделил известные к тому времени 15 видов бактерий на два рода – Monas и Vibrio. В 1872 г. Ф.-Ю. Кон (1828-1898) разделил бактерии на группы по морфологическим признакам: кокки, короткие палочки, удлиненные палочки, спирали (слайд 4.9). В 1909 г. С. Орла-Йенсен (1870-1949) сделал попытку классифицировать бактерии на основе известных к тому времени физиологических признаков (слайд 4.10).

Важным шагом в развитии систематики прокариот явилось использование признаков, дающих информацию о химическом строении клетки: состав оснований ДНК, аминокислотная последовательность белков, строение рибосом, компонентов клеточной стенки и т. д.

Первые предложенные схемы классификации бактерий были крайне субъективны. В 1957 П. Снитом был предложен нумерический метод Адансона (М. Adanson, 1727-1806). Классификация, построенная на принципах Адансона, - трудоемкий процесс, поэтому свое развитие и практическое применение она получила в связи с развитием вычислительной техники. 

Классификация прокариотов

 

 

Нумерическая таксономия может быть полезна при оценке степени сходства между таксонами невысокого ранга (виды, роды), но прямого отношения к созданию филогенетической системы прокариот не имеет. Наиболее полно задача быстрой идентификации бактерий решается с помощью Определителя бактерий Берджи, выпускаемого Обществом американских бактериологов (слайд 4.11). Первое издание определителя было выпущено в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д. Х. Берджи (D. H. Bergey, 1860-1937); девятое издание в 4 томах вышло в 1984-1989 гг., десятое – издается в 2001-2009 гг.

В девятом издании Определителя бактерий Берги все обнаруженные организмы, отнесенные в царство Prokaryotae, разделены на 35 групп. Признаки, по которым осуществляется разделение на группы, относятся к категории легко определяемых и вынесены в названия групп (слайд 4.12). 

Представленная в Определителе бактерий Берджи система классификации является строго идентификационной и не решает задачи выявления эволюционных связей между прокариотами.

Важный шаг на пути создания естественной систематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии. Оказалось, что бактерии могут быть классифицированы путем сравнения их геномов. Карл Вёзе (1977) разработал наилучшую до этого времени концепцию филогенетического древа не только для бактерий, но и для эукариотов. В качестве филогенетического маркера он использовал последовательность оснований олигонуклеотидов рРНК 16S (у прокариот) и 18S (у эукариот). Эти маркеры наиболее соответствуют необходимым требованиям: универсальности, гомологичности (изофункциональности) и генетической стабильности (слайд

4.13).

Рибосомы обнаружены у всех клеточных форм жизни, что указывает на их древнейшее происхождение; их функции всегда одинаковы; первичная структура характеризуется высокой консервативностью. 

К настоящему времени последовательности 16S и 18S рРНК изучены у многих организмов, принадлежащих к разным царствам живой природы. На основании полученных данных были рассчитаны коэффициенты сходства и выявлены три группы организмов: эукариоты, эубактерии (сюда же попали 16S рРНК митохондрий и хлоропластов) и архебактерии.

Хотя клетки архебактерий структурно относятся к прокариотному типу, они построены из макромолекул, многие из которых являются уникальными и не синтезируются ни эукариотами, ни эубактериями. Архебактерии осуществляют ряд биохимических процессов, не свойственных остальным живым организмам и существуют в экстремальных условиях. На основании этого был сделан вывод, что архебактерии представляют собой самостоятельный таксон. В то же время анализ генов показал, что Eucaryotae и Archaebacteria имеют общее происхождение и таким образом являются сестринскими таксонами, тогда как Eubacteria представляет собой отдельную эволюционную линию, которая ответвилась раньше от общего корня (слайд 4.14). 

Классификация прокариотов

 

 

Итак, для бактерий оказалось возможным построить филогенетическое древо, которое частично подтвердило старые группировки, но также открыло и новые эволюционные линии. Однако вопрос о порядке расхождения основных ветвей дерева остается спорным.

 

 

Микоплазм и архебактерий

 

Царство Procaryotae подразделяется на отделы по строению клеточной стенки (слайд 5.4). Отделы включают классы (слайд 5.5).

Отдел Gracilicutes. Грамотрицательные. Морфология клеток разнообразная – палочки, кокки, извитые и нитчатые формы. Размножаются бинарным делением. Спор не образуют. Передвигаются с помощью жгутиков или скольжением. Отдел подразделяется на 3 класса: нефотосинтезирующие (Scotobacteria) и фотосинтезирующие (Anoxyphotobacteria, Oxyphotobacteria) (слайд 5.6).

Отдел Firmicutes. Грамположительные. Клетки кокковидные, палочковидные, ветвящиеся; есть мицелиальные формы. Размножаются бинарным делением. Некоторые образуют эндоспоры. У других споры на гифах или в спорангиях. Большинство – неподвижные. Подвижные представители перемещаются с помощью жгутиков. По морфологии делятся на 2 класса: Firmibacteria и Thallobacteria (слайд 5.7).

Отдел Tenericutes. Отсутствует клеточная стенка, клетки окружены ЦПМ. Окрашивание по Граму отрицательное. Клетки плеоморфные, округлые. Размножаются бинарным делением, почкованием, фрагментацией. Характерно образование мелких, врастающих в агар колоний. Включает класс Mollicutes (слайд 5.8).

Отдел Mendosicutes. Клеточная стенка не содержит типичного пептидогликана, может быть построена только из белковых макромолекул или гетерополисахаридов. Окрашивание по Граму отрицательное или положительное. Клетки разной формы: кокки, палочки, нити. Многие плеоморфны. Большинство – строгие анаэробы. Многие имеют жгутики. Характеризуются экологическим и метаболическим разнообразием, способностью жить в экстремальных условиях. Объединены в класс

Archaeobacteria (слайд 5.9).

В Определителе Берджи бактерии объединены в группы на основании общих признаков, которые устанавливаются при микроскопии: строение клеточной стенки, форма клетки, подвижность. Также используются физиологические признаки: отношение к кислороду и тип метаболизма.

 

Фотосинтезирующие бактерии

Бактериальный фотосинтез делится на 2 типа: бескислородный и кислородный. В соответствии с этим все фотосинтезирующие бактерии разделены на два класса: Anoxyphotobacteria (10 группа) и Oxyphotobacteria (11 группа) (слайд 5.57). 

Группа 10. Фототрофные бактерии, осуществляющие бескислородный фотосинтез. 

В эту группу отнесены фотосинтезирующие бактерии, характеризующиеся специфическим набором пигментов (бактериохлорофиллов и каротиноидов) и особым типом фотосинтеза.

Группа включает пурпурные, зеленые бактерии и гелиобактерии (слайд 5.58). 

Пурпурные бактерии – одноклеточные организмы разной морфологии. Длина от 1 до 20 мкм, ширина – от 0,3 до 6 мкм. Среди пурпурных бактерий есть неподвижные и подвижные формы. Для клеток характерна хорошо развитая система внутрицитоплазматических фотосинтетических мембран. 

Все пурпурные бактерии могут расти на свету в анаэробных условиях, осуществляя фотосинтез. Группа подразделяется на пурпурные серные (слайд 5.59) и несерные бактерии (слайд 5.60).

Зеленые бактерии разделены на две подгруппы: серные и нитчатые зеленые бактерии. Зеленые серобактерии – грамотрицательные одноклеточные неподвижные формы, облигатные фотолитоавтотрофы и строгие анаэробы. Основной источник углерода – углекислота (слайд 5.61). 

Нитчатые зеленые бактерии передвигаются скольжением. Факультативные анаэробы, предпочитающие использовать органические соединения при фототрофном метаболизме. Несерные бактерии в анаэробных условиях на свету окрашены в желто-зеленый цвет, в аэробных – в оранжево-красный (за счет β- и γ-каротиноидов). Часто ассоциированы с цианобактериями (слайд 5.62).

Гелиобактерии – строго анаэробные бактерии, облигатные фототрофы, содержащие единственный бактериохлорофилл g. Описаны два вида, различающиеся морфологически (слайд 5.63): Heliobacterium chlorum и Heliobacillus mobilis. Клеточная стенка грамотрицательного типа, но по нуклеотидной последовательности 16S рРНК и составу пептидогликана гелиобактерии близки к грамположительным Bacillus subtilis.

Группа 11. Фототрофные бактерии, осуществляющие кислородный фотосинтез

Группа представлена эубактериями, содержащими разные наборы фотосинтетических пигментов, но обязательно – хлорофилл a; фотосинтез сопровождается выделением молекулярного кислорода. Включает 2 группы организмов: цианобактерии и прохлорофиты (слайд 5.64). 

Цианобактерии – грамотрицательные, морфологически разнообразные, одноклеточные, колониальные и многоклеточные нитчатые формы. Некоторые цианобактерии формируют дифференцированные клетки: баеоциты, гормогонии, акинеты или гетероцисты. Размножаются путем бинарного деления, почкования, множественного деления. Широко распространены в водоемах (слайд 5.65)

Выделено 5 порядков, различающихся морфологическими признаками: Chroococcales, Pleurocapsales, Oscillatoriales, Nostocales, Stigonematales (слайды 5.66 – 5.71).

Прохлорофиты выделены в порядок Prochlorales с двумя родами Prochloron – одноклеточные организмы – и Prochlorothrix – нитчатые организмы (слайд 5.72). Это неподвижные или подвижные формы.

Размножаются бинарным делением. Клеточная стенка грамотрицательного типа.

Фотосинтетические пигменты представлены хлорофиллом а, b и каротиноидами. Prochloron didemni – внеклеточный симбионт в ассоциациях с колониальными асцидиями.

Группа 12. Аэробные хемолитотрофные бактерии и близкие к ним организмы. 

Все представители грамотрицательные. Морфологически разнообразны: палочки, кокки, спириллы. Подвижны и неподвижные. Аэробы. Группа разделена на 3 подгруппы в зависимости от химической природы окисляемых неорганических соединений (слайд 5.73, 5.74).

Подгруппа 1: Бесцветные сероокисляющие бактерии. В подгруппе объединены бактерии, способные окислять неорганические восстановленные соединения серы, образуя в качестве конечного продукта сульфат. Семейство Thiobacillaceae. Обитатели почвы, воды, серных ключей или серных месторождений. Их можно обнаружить невооруженным глазом по наличию обильных белых отложений серы, взвесей, тяжей, розеток или пленок (слайд

5.75).

Подгруппа 2: Железо- и марганец-окисляющие и/или осаждающие бактерии, получают энергию в процессе окисления двухвалентного железа или марганца кислородом воздуха. Семейство Siderocapsaceae и несколько других родов. Они способны откладывать оксиды железа или марганца вне клетки. В основном обитают в железосодержащих водах (слайд 5.76).

Подгруппа 3: Нитрифицирующие бактерии, получают энергию в процессе окисления аммиака до азотистой кислоты, а затем до азотной кислоты (слайд 5.77).

В подгруппу включены бактерии семейства Nitrobacteriaceae:

Секция А – бактерии, окисляющие нитрит. Секция В – бактерии, окисляющие аммиак (слайд 5.78). Обитатели почвы, пресной и морской воды. 

Группа 13. Почкующиеся и/или стебельковые бактерии (слайд 5.79). 

В группу входят бактерии, образующие отростки (стебельки) из слизи, не связанные с цитоплазмой клетки, или нитевидные клеточные выросты – простеки. Многие простекобактерии – олигокарбофилы. При дефиците питательных веществ выросты удлиняются и увеличивают клеточную поверхность. 

У некоторых бактерий (Hyphomicrobium) выросты участвуют в процессе размножения (слайд 5.80). Бактерии рода Caulobacter с помощью выроста прикрепляются к субстрату. Бактерии родов Nevskia, Gallionella образуют слизистые стебельки. 

Группа 14. Бактерии, образующие слизистую оболочку (чехол или влагалище). В состав группы входят нитевидные бактерии, окруженные общим влагалищем или чехлом. Чехлы состоят из гетерополисахарида, часто инкрустированного окислами железа или марганца (слайд 5.81). 

Клетки размножаются внутри поперечным делением. Выходящие одиночные клетки могут быть подвижные или не способны к активному движению. Аэробы и анаэробы; хемоорганогетеротрофы. Бактерии рода Sphaerotilus – типичные обитатели сточных вод. Представители рода Leptothrix встречаются в бедных органическими веществами местах с высоким содержанием железа.

Группа 15. Нефотосинтезирующие скользящие бактерии, не образующие плодовых тел (слайд 5.82). 

Основной по числу представителей порядок Cytophagales. В него помещены бактерии, имеющие палочковидную форму, часто плеоморфные. Способны использовать различные полисахариды (агар, целлюлозу, хитин, крахмал, пектин и др.). Источником энергии служит дыхание, но некоторые виды являются факультативными анаэробами. Роды Cytophaga и

Sporocytophaga известны тем, что способны разлагать целлюлозу. 

Виды Flexibacter – водные бактерии (слайд 5.83). Они состоят из длинных, нерасчлененных, очень гибких клеток. Многие формы содержат каротиноиды. Паразитируют на рыбах, икре, мальках (Flexibacer branchiophila).

В порядок Beggiatoales объединены нитчатые формы (за исключением рода Achromatium), могут быть окружены общим чехлом (слайд 5.84). Бактерии рода Thiothrix, Beggiatoa растут в водоемах. Leucothrix – длинные нити, формируют характерные розетки (слайд 5.85). 

Группа 16. Скользящие бактерии, образующие плодовые тела: миксобактерии. Включает порядок Муxobacteriales – облигатно аэробные хемоорганогетеротрофы. Синтезируют литические ферменты, активно разрушают мертвые растительные остатки (слайд 5.86).

Миксобактерии палочковидные, грамотрицательные, образуют плодовые тела – скопления из клеток и слизи, внутри которых клетки переходят в покоящееся состояние – миксоспоры и микроцисты. По строению плодовых тел можно определять различные роды и виды миксобактерий: Cystobacter, Myxococcus, Polyangium, Sorangium (слайд 5.87).

Группа 17. Грамположительные кокки. Клетки сферические. Не образуют эндоспор, неподвижные. Хемоорганотрофы. Размножаются делением более чем в одной плоскости. Характер расположения клеток после деления служит одним из систематических признаков для разделения родов. Включает семейства: Micrococcaceae, Streptococcaceae, Peptococcaceae (слайд 5.88).

Семейство Micrococcaceae – аэробы, клетки делятся с образованием правильных или неправильных скоплений или пакетов.

Род Micrococcus – распространены повсеместно (слайд 5.89). Разлагают органические остатки, содержащие белки, выполняют функцию “мусорщиков” в природе. Род Planococcus – распространены в морских местообитаниях. Род Deinococcus – высокоустойчивы к γ-радиации (слайд

5.90). 

Семейство Streptococcaceae – факультативные анаэробы, клетки после деления располагаются одиночно, парами, в гроздьях, тетрадах или цепочках. Метаболизм бродильный, преимущественно с образованием молочной кислоты (слайд 5.91). 

Распространены чрезвычайно широко. Встречаются в воде, пыли, в бродящих пищевых продуктах. 

Род Streptococcus. Обычно присутствуют в ротовой полости и верхних дыхательных путях человека (S. mutans, S. salivarius). Есть патогенные (S. pyogenes) и условно-патогенные виды (слайд 5.92).

Стрептококки молочной группы – Lactococcus (слайд 5.93). Фекальные стрептококки – Enterococcus (слайд 5.94). Могут быть ассоциированы с теплокровными позвоночными (Staphylococcus epidermidis). Есть виды, патогенные для человека и животных (Staphylococcus aureus) (слайд 5.95, 5.96). Гетероферментативные кокки – Leuconostoc (слайд 5.97).

Семейство Peptococcaceae – анаэробы, При брожении образуют СО₂, Н₂, низшие жирные кислоты, сукцинат, этанол; молочная кислота не является основным продуктом брожения. В основном сапротрофы, обитатели почвы (Sarcina), ротовой полости человека и животных (Peptococcus), рубца жвачных животных (Ruminococcus). Имеются патогенные виды

(Peptostreptococcus) (слайд 5.98).

Группа 18. Грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры. 

Есть аэробные (Sporosarcina), факультативно-анаэробные (Bacillus, Sporolactobacillus) и анаэробные палочки (Clostridium и Desulfotomaculum). Типы спорообразования: бациллярный, клостридиальный и плектридиальный (слайд 5.99). 

Род Bacillus – подвижные палочки, размером до 25 мкм. Распространены повсеместно, типичные обитатели почвы; продуценты биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов). Большинство бацилл – сапротрофы (B. subtilis, B. mesentericus, B. cereus и др.). Есть патогены – возбудитель сибирской язвы В. anthracis, возбудитель септицемии гусениц В. Thuringiensis (слайд 5.100 – 5.104). 

Род Clostridium, как правило, не имеют цитохромов и каталазы. Клостридии сбраживают большое число субстратов, по которым различают сахаролитические, пептолитические и пуринолитические (слайд 5.105). Продуктами брожения являются бутират, бутанол, ацетон, 2-пропанол и газы

(Н₂, СО₂). 

Большинство – сапротрофы, обитатели почвы (C. pasteurianum, C. butiricum). Некоторые виды – опасные патогенные формы: С. tetani – возбудитель столбняка, С. perfringens – возбудитель газовой гангрены, С. botulinum – ботулизма (слайд 5.106).

Группа 19. Грамположительные, не образующие спор палочки правильной формы. 

Группа – конгломерат, состоящий из 8 родов: мезофилы; строгие или факультативные аэробы, есть микроаэрофилы и аэротолерантные анаэробы; хемоорганогетеротрофы, растущие только на сложных средах. Отличаются высокой устойчивостью к рН среды и температуре.

Род Lactobacillus – получают энергию в процессе гомоферментативного или гетероферментативного молочнокислого брожения. В составе рода около 50 видов (L. lactis, L. acidophilum, L. bulgaricus, L. casei, L. plantarum, L. brevis), объединенных в семейство Lactobacillaceae. Широко распространены в природе, сапротрофы (слайд 5.107). 

Род Erysipelothrix – широко распространены в природе, обычно как паразиты млекопитающих, птиц и рыб. Род Listeria – широко распространены в природе. Некоторые виды патогенны для человека и животных. Caryophanon latum – обладает жгутиками и образует трихомы

(слайд 5.108). 

Группа 20. Грамположительные, не образующие спор палочки неправильной формы. Группа разнообразна по морфологическим и физиологическим признакам. 

Род Actinomyces – прямые или изогнутые палочки и ветвящиеся нити, не образующие спор, неподвижные. Факультативные анаэробы с бродильным типом метаболизма. Образуют формиат, ацетат, лактат и сукцинат (слайд

5.109).

Обычные обитатели почвы, разрушают многие органические соединения, некоторые виды встречаются в ротовой полости и на слизистых оболочках, патогенны для человека и животных.

Род Arthrobacter – бактерии с циклом развития кокк — палочка — кокк. Бактерии рода Arthrobacter – основные представители автохтонной микрофлоры почвы. Активно участвуют в разложении органических веществ (слайд 5.110). 

Род Agromyces – плеоморфные, нитевидные элементы распадаются на кокки и неправильные палочки. Широко распространены и очень многочисленны в почве. Один вид.

Род Bifidobacterium – изогнутые, разветвленные, неподвижные палочки. Расположение одиночное, парное, V-образное, цепочками. Грамположительные, анаэробы. Напоминают молочнокислые бактерии.

Активно сбраживают углеводы с образованием уксусной и молочной кислоты. Оптимальная температура 37-41 ºС. Обитают в кишечнике, встречаются в ротовой полости позвоночных, в сточных водах. Обычно считаются не патогенными (слайд 5.111).

Род Corynebacterium – палочки, склонные к морфологической изменчивости с образованием булавовидных, слабоветвящихся клеток, часто располагающихся под углом в виде букв V, Y (слайд 5.112). Энергию получают за счет процессов дыхания или брожения. Обитатели почвы, воды, воздуха, ряд видов является возбудителями болезней растений, человека и животных (C. diphtheriae).

Род Propionibacterium – неподвижные, микроаэротолерантные, сбраживают углеводы с образованием пропионовой кислоты. Обнаруживаются в сыре, на кожных покровах и в пищеварительном тракте человека и животных. Используются в производстве сыра. (P. freudenreichii). Вызывают воспаление волосяных фолликулов – P.acnes.

Группа 21. Микобактерии (слайд 5.113). Семейство Mycobacteriaceae и род Mycobacterium. Микобактерии – грамположительные, неподвижные палочки, прямые или ветвящиеся формы. Синтезируют каротиноидные пигменты. Все – аэробы.

На некоторых стадиях роста характерна повышенная устойчивость к кислотам и спиртам – «кислотоустойчивость», обусловленная высоким содержанием в клеточных стенках миколовых кислот, которые делают поверхность микобактерий воскообразной и сильно гидрофобной. 

Большинство – сапротрофы, живущие в почве и использующие различные органические соединения. Некоторые виды патогенны: М. tuberculosis – возбудитель туберкулеза, М. leprae – возбудитель проказы. 

Актиномицеты (группы 22-29). Эта группа объединяет организмы с разной морфологией (слайд 5.114): от кокков и палочек до форм, образующих ветвящиеся нити или развитый мицелий (субстратный и воздушный). Большинство – аэробы. Мезофилы (23-30 °С), встречаются термофилы. Гетеротрофы, различные в своих требованиях к субстрату.

Большинство размножаются с помощью спор, образующихся в спорангиях. Споры могут быть подвижными (слайд 5.115). Часто образуют пигменты (слайд 5.116)

Распространены повсеместно. Основное местообитание – почва, обнаруживаются в пресных и морских водоемах, а также в их донных отложениях.

Некоторые представители обитают в организме человека и животных и могут вызывать заболевания. 

Актиномицеты объединены в класс Thallobacteria. Их систематика основана на морфологических признаках и химическом составе и структуре отдельных клеточных компонентов.

Группа 22. Нокардиоформы. Семейство Nocardiaceae объединяет бактерии, в цикле развития которых существует мицелиальная стадия. В старых культурах мицелий распадается на палочковидные или кокковидные элементы. Настоящих спор нет. Типовой род Nocardia (слайд 5.117). 

Нокардии – обитатели почвы, воды. Имеются патогенные для человека и животных виды, обусловливающие нокардиоз (N. asteroides, N. brasiliensis).

Нокардии являются продуцентами биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот и др.), участвуют в очистке сточных вод, детоксикации почв (слайд 5.118).

Группа 23. Актиномицеты с многоклеточными спорангиями. В эту группу выделены актиномицеты, у которых мицелиальные нити делятся в продольном и поперечном направлениях, в результате чего образуется спорангий. Все представители – хемоорганогетеротрофы с высокими пищевыми потребностями, аэробы. 

Род Frankia – симбиотические бактерии обитатели корневых клубеньков небобовых растений (ольха, облепиха, лох), клубеньки характеризуются азотфиксирующей способностью (слайд   5.119). Распространены в почве, воде, обитают на кожных покровах млекопитающих (Geodermatophilus и Dermatophilus) (слайд 5.120).

Группа 24. Актинопланы. В группу объединены водные актиномицеты, имеющие подвижную стадию. В процессе роста образуют развитый мицелий. Морфология спорангиев и спор легли в основу классификации актинопланет на роды (слайд 5.121).

У отнесенных к этой же группе представителей рода Micromonospora спорангии отсутствуют. 

Все актиномицеты, входящие в состав группы, – аэробные хемоорганогетеротрофы. Основные места обитания: пресная вода, почва, мертвые растительные и животные остатки.

Группа 25. Стрептомицеты и родственные формы. Актиномицеты образуют хорошо развитый воздушный мицелий, который не распадается на фрагменты. Колонии часто бывают окрашены, иногда наблюдается выделение пигмента в питательную среду. Размножаются спорами, формирующимися на концах гиф, или кусочками вегетативного мицелия

(слайд 5.122). 

Актиномицеты этой группы – облигатно аэробные хемоорганогетеротрофы. Стрептомицеты в изобилии встречаются в почве. 

Основной род Streptomyces насчитывает около 500 видов, для которых характерно образование прямых или спирально закрученных цепочек, состоящих из экзоспор. Среди стрептомицетов известно много видов – продуцентов антибиотиков, в том числе стрептомицина (S. griseus), ауреомицина и тетрациклинов (S. aureofaciens) и др. Многие стрептомицеты синтезируют антибиотики, активные против бактерий, грибов, водорослей, простейших, фагов, обладающие также противоопухолевым действием

(слайд 5.123).

Для представителей рода Streptoverticillium характерным является образование спор на боковых ветвях вертикальных гиф воздушного мицелия (слайд 5.124).

Группа 26. Мадуромицеты. Аэробны, формирующие развитый мицелий, споры образуются только на воздушных гифах или в спорангиях (слайд 5.125). 

Группа 27. Термомоноспоры и родственные формы (слайд 5.126). Представители этой группы формируют мицелий. Для типового рода Thermomonospora характерный диапазон роста от 40 до 48° С.

Группа 28. Термоактиномицеты. Объединяет 1 род Thermoactinomyces. (слайд 5.127).

Все представители группы формируют хорошо развитый субстратный и воздушный мицелий. Споры образуются на воздушном и субстратном мицелии. Термофилы, оптимальная температура – 50-60 ºС. Аэробные хемоорганогетеротрофы. Основное место обитания – почва, вода, разлагающиеся растительные остатки.

Группа 29. Другие формы актиномицетов. В последние годы описано несколько новых актиномицетов, выделенных в отдельные роды, так как еще недостаточно изучены. Объединяет 3 рода: Glycomyces, Kitasatosporia, Saccharothrix.

Группа 30. Микоплазмы. Микоплазмы – самые мелкие прокариоты. Относятся к отделу Tenericutes, классу Mollicutes («мягкокожие»), порядку Mycoplasmatales. 

Микоплазмы не имеют клеточных стенок. Для них характерен ярко выраженный полиморфизм. Размножаются бинарным делением, почкованием, фрагментацией. Характерным является их рост на средах в виде яичницы «глазуньи» (слайд 5.128). 

В основном – хемоорганогетеротрофы. Большинство аэробы, имеются облигатные анаэробы (Anaeroplasma), ацидофилы (Thermoplasma acidophilum, рН = 1-4) и термофилы (Thermoplasma), некоторые способны гидролизовать мочевину (Ureaplasma).

Нечувствительны к антибиотикам, специфически действующим на клеточную стенку. 

Микоплазмы находят в почве и сточных водах (Acholeplasma), обитают на слизистых оболочках человека и животных, в сосудистых тканях растений. Многие паразитические формы микоплазм патогенны: М. pneumoniae – возбудитель ОРЗ и пневмоний. Из листьев цитрусовых растений выделена Spiroplasma citri (слайд 5.129). 

Архебактерии (группы 31-35)

Со времени открытия архебактерий в 1977 г. количество относящихся к ним организмов и объем знаний о них возрастают стремительно. Архебактериям свойственна типичная прокариотная организация клеток, но они имеют ряд уникальных особенностей (слайд 5.130). 

В IX издании Определителя бактерий Берги впервые сделана попытка классифицировать известные архебактерии. Они разделены на 5 групп. 

Группа 31. Метаногены (слайд 5.131). Это бактерии, главным признаком которых является способность образовывать метан в качестве конечного продукта энергетического метаболизма. 

Обычные места обитания – анаэробная зона водоемов, богатых органическими соединениями. Обитатели пищеварительного тракта животных и человека, а также важный компонент микрофлоры рубца жвачных животных.

Метанобразующие бактерии представляют определенный практический интерес как продуценты витамина B₁₂ и газообразного топлива – метана. 

Совместно другими микроорганизмами метанобразующие бактерии обеспечивают протекание в природе важного крупномасштабного процесса – анаэробного разложения органических соединений, в первую очередь целлюлозы. 

Группа 32. Сульфатредуцирующие археи (слайд 5.132). Кокковидные клетки неправильной формы. В группу отнесены экстремально термофильные (95 ºС), строго анаэробные формы, образующие H₂S из сульфата в процессе диссимиляционной сульфатредукции. Единственный род Archaeoglobus. Выделены из морских гидротермальных экосистем. 

Группа 33. Экстремально галофильные аэробные архебактерии (слайд 5.133). Галобактерии – хемоорганотрофы, растут при высоких концентрациях NaCl. Некоторые виды содержат бактериородопсин и способны использовать энергию света для синтеза АТФ. В природе распространены в местах с высокой концентрацией соли (слайд 5.134).  

Группа 34. Архебактерии, лишенные клеточной стенки (слайд 5.135). В составе группы один род Thermoplasma, вид Т. acidophilum.

Облигатные термофилы и ацидофилы, диапазон температуры 33-67 °С, оптимум – 59 °С; диапазон рН 0,5-4,0.

Морфологически и цитологически сходны с микоплазмами. 

Группа 35. Экстремальные термофилы гипертермофилы, метаболизирующие серу (слайд 5.136).

Группа разнородных в морфологическом и физиологическом отношении бактерий: палочки, нити, кокки, дисковидные клетки или неправильной дольчатой формы. Подвижные и неподвижные. 

Клеточные стенки построены из гликопротеиновых или белковых субъединиц. Отсутствует периплазматическое пространство. Температура для роста 45-110 ºС, оптимальная 70-105 ºС. Pyrodictium occultum обладает самым высоким температурным пределом роста из всех известных прокариот. Он способен расти при 110°, с оптимумом при 105° (слайд 5.137). 

Окисление S₀ происходит на наружной поверхности ЦПМ. Хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Доноры электронов – Н₂ или органические соединения.

Обнаруживаются в горячих источниках и грунтах в зонах вулканической активности (слайд 5.138). Серозависимые архебактерии выделяются из подводных морских горячих источников, проявляют активную геохимическую деятельность (слайд 5.139, 5.140). Хемолитотрофные виды перспективны для использования в биогидрометаллургии. 

 

 

ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС

 

6.1. Гипотезы о происхождении жизни

6.2. Возникновение прокариотов и эукариотов

6.2.1. Условия на древней Земле

6.2.2. Возможность образования органических веществ на первобытной земле 6.2.3. Эволюция протоклетки

6.2.4. Эволюция прокариотов

6.3. Систематика и филогения прокариотов (слайд 6.3)

 

Эволюция протоклетки

 

Следующим этапом эволюции на пути возникновения жизни было формирование определенной структурной организации органических соединений. 

С. Фокс, охлаждая растворенные в воде протеиноиды, получил микроскопические частицы, названные им микросферами. Смешивание раствора гуммиарабика и желатины приводило к формированию другого вида микроскопических структур, названных коацерватными каплями. Такие пространственно обособленные открытые системы, построенные из полимеров, были названы протоклетками.

Протеиноидные микросферы имеют сферическую форму, диаметром от 0,5 до 7 мкм (слайд 6.15). Каждая микросфера содержит около 1010 молекул протеиноида. Протеиноидные микросферы обладают определенной стабильностью: не разрушаются при центрифугировании, устойчивы в солевых растворах. Микросферы, образованные из кислых протеиноидов, грамотрицательны; микросферы, в состав которых входят основные протеиноиды, грамположительны. У них есть барьер с избирательной проницаемостью; способность к делению и почкованию; подвижность, способность к наращиванию массы; тенденция к контактированию друг с другом. В протеиноидных микросферах найдена ферментоподобная активность.

Коацерватные капли отделены от раствора четко выраженной поверхностью (слайд 6.16), способны избирательно поглощать из среды некоторые вещества (аминокислоты, сахара, мононуклеотиды) и выделять в среду продукты протекающих в них реакций. Концентрация полимеров в частице на один-два порядка выше, чем в окружающем растворе. Скорости ферментативных реакций в коацерватных каплях существенно выше, чем в гомогенных растворах. 

Как из гипотетической протоклетки возникла первичная клетка, способная к самовоспроизведению, до сих пор не известно. В лабораторных условиях не удалось получить самореплицирующуюся систему из простых предшественников. Некоторые процессы, необходимые для зарождения первичной клетки: появлении асимметрии живых организмов, возникновении и эволюции каталитической активности и матричного синтеза (слайд 6.17).

1. Возникновение оптической активности. Асимметричный синтез клеткой органических веществ происходит на базе уже существующей в них асимметрии. Вопрос сводится к тому, как впервые возник асимметричный синтез. Согласно одной из гипотез, возникновению жизни должно было предшествовать сильное нарушение зеркальной симметрии в виде скачкообразного перехода и формирование только одного типа асимметрических молекул: L-аминокислот и D-сахаров, из которых образуются короткие цепочки молекул – блоков будущих ДНК, РНК и белков. 

2. Возникновение и эволюция каталитической активности. В основе метаболизма современных клеток лежит совершенный каталитический аппарат, поэтому эволюционное развитие протоклеток связано с развитием и совершенствованием их каталитических активностей. 

3. Возникновение матричного синтеза. В модельных опытах было показано возникновение пространственно обособленных систем, построенных из протеиноидов, с определенным постоянством аминокислотных последовательностей. Возможно, что информация о полипептидах типа протеиноидов была заключена в них самих, а, следовательно, на начальном этапе эволюции протоклетки могли воспроизводиться и передавать информацию потомству без участия нуклеиновых кислот.

Дальнейшее усложнение структуры и совершенствование функции полипептидов приводило к появлению в них определенных аминокислотных группировок, которым была присуща полезная для протоклетки активность. Для дальнейшей эволюции необходимо было создание специального аппарата, который обеспечивал бы в ряду поколений точное воспроизведение полипептидов с определенно закрепленным расположением аминокислотных остатков. Это привело к формированию принципиально нового механизма синтеза – матричного синтеза.

В модельных опытах было показано, что полинуклеотидная цепь может служить матрицей, связывающей свободные нуклеотиды. В результате возникает спиральная структура. 

Вопрос о том, каким путем в молекулах полинуклеотидов возникла и закрепилась информация о структуре белков, остается наиболее неясным. Не исключено, что на первых этапах поток информации шел в любом направлении и, таким образом, устанавливались взаимные связи между определенными последовательностями аминокислот в протобелках и нуклеотидов в полинуклеотидах. Позднее поток информации стал однонаправленным (полинуклеотид → протобелок).

Таким образом, дискуссионным остается вопрос о том, на каком этапе эволюционного процесса нуклеиновые кислоты сформировались как информационные молекулы. Согласно одним представлениям на начальном этапе эволюции роль носителей информации выполняли белковоподобные молекулы, и первые примитивные клетки функционировали без нуклеиновых кислот. Другая гипотеза исходит из того, что первыми возникли нуклеиновые кислоты, а позднее, на базе содержащейся в них информации, возникли белки (гипотеза «генной жизни» Г. Мёллера (Н. Muller)).

Формы жизни, возникшие на "белковой основе", были неустойчивыми из-за отсутствия системы передачи информации, использующей свойства нуклеиновых кислот, а "генная жизнь" не могла прогрессивно эволюционировать без участия белков, обладающих каталитическими свойствами. Как произошло возникновение формы жизни, в основе которой лежат белки и нуклеиновые кислоты, пока не известно. Ясно только, что "встреча" обоих типов соединений положила начало пути эволюции, на котором произошло формирование механизмов синтеза белка и нуклеиновых кислот и кодовых взаимодействий между обоими механизмами.

 

Эволюция прокариотов

 

В восстановительной первичной атмосфере происходило развитие прокариотических организмов (слайд 6.18). Первыми прокариотами, которые могли появиться в водоемах, богатых органическими веществами, были организмы, существовавшие за счет брожения и обладавшие основными функциями анаэробного обмена (фруктозобисфосфатный и пентозофосфатный пути). Если предположить, что в водоемах имелись тогда и сульфаты, то следующим достижением органической эволюции мог быть эффективный транспорт электронов с созданием протонного потенциала как источника энергии для регенерации АТФ. На этом этапе эволюции, вероятно, возникли производные тетрапиррола, содержащие железо или никель, а также автотрофный способ ассимиляции углерода (путь ацетил-СоА). Как реликты тех времен могут рассматриваться метанобразующие и ацетогенные бактерии, а также бактерии, восстанавливающие сульфаты до сульфида, которые, за рядом исключений, могут использовать Н₂, СО₂ и некоторые продукты брожения.

После «изобретения» фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов, могла возникнуть также фотосистема I – протонный насос, приводимый в действие светом», что позволило использовать свет в качестве источника энергии (слайд 6.19). Первые фототрофные организмы, вероятно, ассимилировали углерод на свету подобно Rhodospirillaceae. С приобретением способности фиксировать СО₂ в рибулозобисфосфатном цикле и использовать неорганические доноры электронов (Н₂, H₂S, S) выработался тип метаболизма, характерный для пурпурных серных бактерий (Chromatiaceae). К еще большей независимости от растворенных в воде веществ привело затем появление фотосистемы II: стал возможен нециклический перенос электронов с использованием воды в качестве их донора. Этот процесс был связан с выделением кислорода. Оксигенный фотосинтез привел к тому, что земная атмосфера приобрела окислительный характер. Представителями первых микроорганизмов, осуществлявших фотосинтез с выделением О₂, являются цианобактерии.

В результате превращения цитохромов в терминальные оксидазы и использования молекулярного кислорода в качестве акцептора электронов у бактерий стал возможным новый тип метаболизма – аэробное дыхание.

Все фототрофные дышащие прокариоты, известные в настоящее время, существовали уже 2,1 млрд. лет назад; 2,7 млрд. лет назад имелся в небольшом количестве кислород. На протяжении последних 1,2 млрд. лет вся жизнь на Земле зависит от биологического фотосинтеза и от кислорода, выделяемого растениями (слайд 6.20).

Цианобактериям мы обязаны появлением молекулярного кислорода в атмосфере Земли. Однако вначале весь выделяемый ими О₂ поглощался земной корой, в которой происходили интенсивные процессы окисления. 

В период до 0,6 млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере увеличилось, вероятно, всего лишь до 2%. И только после того, как растения завоевали сушу, концентрация кислорода в воздухе резко повысилась и достигла современного уровня (21%). Накопление О₂ сопровождалось образованием отложений углерода в форме каменного угля, нефти, природного газа и углеродсодержащих осадочных пород (слайд 6.21).

Первые эукариоты появились приблизительно 1,5 млрд лет назад. Все эукариоты, за очень малым исключением, – аэробные организмы. Таким образом, прокариоты были единственными обитателями нашей планеты в течение 2/3 времени эволюции биосферы. Если прокариоты в течение миллиардов лет развивались сами по себе, то эукариоты никогда не оставались одни. Им приходилось все время противостоять прокариотам. Они предоставляли последним новые экологические ниши, защиту и были их жертвами. Многоклеточные организмы своими высокоразвитыми защитными и иными приспособлениями отчасти обязаны агрессивности прокариот. С другой стороны, эукариоты научились извлекать пользу из тесной ассоциации с прокариотами и поставили их себе на службу в качестве эктосимбионтов (в кишечном тракте, на коже, у жвачных в рубце) и эндосимбионтов (для фиксации азота, продукции биомассы путем фотосинтеза, использования H₂S, удаления Н₂).

Согласно современным представлениям окончательное формирование земной коры произошло около 4,6 млрд лет назад. Наши сведения об истории возникновения и развития жизни на Земле ограничены преимущественно последним периодом, длительность которого порядка 600 млн лет. Остальной временной период, составляющий примерно 90% всей истории существования Земли, фактически является чистой страницей в изучении возникновения и развития жизни на Земле. 

 

 

 

Способы размножения грибов

 

 

Для дрожжей типичным способом бесполого размножения является почкование; бинарное деление наблюдается редко. Дрожжи, имеющие процесс деления, образуют истинный мицелий, почкующиеся клетки образют псевдомицелий (слайд 7.12). 

Бесполое размножение происходит путем образования бесполых спор (конидий), образующихся в спорангиях (на конидиеносцах). Споры некоторых низших грибов обладают жгутиком и способны к передвижению в воде (зооспоры). Распространение спор происходит после разрыва оболочки конидиеносца (или спорангия). При бесполом размножении образуется огромное количество спор, вследствие чего указанный способ играет важнейшую роль в распространении грибов в окружающей среде (слайд

7.13).

Половое размножение грибов осуществляется путем слияния мужских и женских половых клеток (гамет) с последующим объединением ядер (слайд 7.14). В качестве органов размножения у низших грибов образуются зигоспоры и ооспоры, а у высших – базидии с базидиоспорами или сумки (аски) с аскоспорами. У базидиомицетов произошло угасание типичного полового процесса и оплодотворение осуществляется путем соматогамии. 

Если женские и мужские гаметангии образуются на мицелии, развившемся из одной споры, то говорят о гомоталлических грибах (слайд

7.15). У гетероталлических грибов талломы различны в половом отношении, т. е. несут либо только мужские, либо только женские половые органы. У гомоталлических грибов возможно самооплодотворение (аутогамия). В тех случаях, когда самооплодотворению препятствует какого-то рода физиологический барьер, говорят об их несовместимости.

Совершенные грибы имеют стадии бесполого и полового размножения.

У несовершенных грибов в жизненном цикле отсутствует (либо не обнаружена) половая стадия. Эта группа грибов не имеет таксономического значения.

Половое и бесполое спороношение сменяются в жизненном цикле грибов закономерно; половое размножение обычно завершает жизненный цикл. 

 

 7.3. Экологические группы грибов и их практическое значение

 

В природе насчитывается свыше 300 тыс. видов грибов, ареал которых охватывает всю Землю. Имеется несколько экологических групп грибов.

Почвенные грибы – участвуют в минерализации органического вещества, образовании гумуса, разрушении лесной подстилки и т.п.; способствуют очищению почвы от патогенных микроорганизмов. Грибы – главные компоненты биоценозов многих почв по числу видов и по биомассе (слайд 7.16). 

Грибы-микоризообразователи – формируют симбиотические связи с корнями высших растений. 

Строение вирусов

 

Вирусы можно рассматривать двояко: как болезнетворные агенты и как агенты наследственности. Не все вирусы являются двойственными агентами; некоторые действуют только как болезнетворные, другие – только как агенты наследственности. Какую роль играет вирус, во многих случаях зависит от клетки хозяина и условий внешней среды.

Вирусы – это биологические объекты, имеющие свои особенности: 

1. Содержат в своем составе только один из типов нуклеиновых кислот: РНК или ДНК (слайд 9.12).

2. Не обладают собственным обменом веществ. Для размножения используют обмен веществ клетки-хозяина, ее ферменты и энергию.

3. Могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не размножаются вне клеток тех организмов, в которых паразитируют (в отличие от бактерий вирус паразитирует на генетическом уровне).

Вопрос о происхождении вирусов является дискуссионным. В настоящее время обсуждаются три гипотезы: 1) вирусы – примитивные доклеточные формы жизни; 2) вирусы возникли из патогенных бактерий в результате их крайней деградации (регрессивной эволюции), в связи с облигатным паразитизмом; 3) вирусы возникли из нормальных клеточных компонентов, вышедших из-под контроля клеточных регулирующих механизмов, и превратились в самостоятельные единицы (слайд 9.13).

Наиболее вероятна третья гипотеза. Можно предположить, что на участке ДНК хозяина произошла серия генетических изменений, превративших его в вирусную ДНК. Фрагмент клеточной ДНК перешел к самостоятельной репликации, стал функционировать как матрица для синтеза РНК и белков. Подтверждением гипотезы является тесная связь между клетками и вирусами, а также высокая приспособленность вирусов к использованию клеточных систем. 

Объяснить происхождение РНК-вирусов труднее, так как в нормальной клетке не бывает саморепликации РНК.

Вирусы существуют в двух основных формах: внеклеточной и внутриклеточной (слайд 9.14). 

Основными компонентами вирусной частицы являются нуклеиновая кислота и капсид. Некоторые вирусы имеют внешнюю оболочку, окружающую их капсиды. По структуре это типичная двухслойная биологическая мембрана (слайд 9.15). 

Капсид построен из капсомеров, которые, в свою очередь, состоят из одной (как у ВТМ) или нескольких белковых субъединиц. Для вирионов характерна строгая геометрическая упорядоченность строения. 

Вирион или его отдельные части обладают определенной симметрией – спиральной и изометрической. 

Спиральный тип симметрии характерен для многих вирусов растений и некоторых фагов (слайд 9.16). Спиральные вирусы подразделяют на палочковидные (ВТМ) и нитевидные (х-, у- и z-вирусы картофеля, вирус желтухи свеклы и др.). 

Изометрические капсиды по форме почти идентичны сфере, представляют собой правильные многогранники (слайд 9.17). Могут быть построены в виде тетраэдра, октаэдра или икосаэдра, причем последний тип является наиболее распространенным. Икосаэдр – это правильный многогранник, имеющий 20 граней, 12 вершин и 30 ребер. Капсид защищает центральную часть вириона (ядро), в которой расположена нуклеиновая кислота или нуклеиновая кислота с белком. По этому принципу построены некоторые вирусы растений (мозаики огурцов, некроза табака). К зоопатогенным вирусам с икосаэдрической структурой относятся вирусы группы герпеса, аденовирусы, возбудители полиомиелита и др.

Сложные капсиды имеют большинство бактериофагов (слайд 9.18). Бактериофаги Escherichia coli Т-серии (Т-2, Т-4, Т-6) имеют головку и хорошо развитый отросток, состоящий из сократительного чехла и внутреннего полого белкового стержня. Один конец чехла закреплен на стержне, не соединяясь с головкой, а другой заканчивается базальной пластинкой с шипами и нитями. Чехол состоит из белковых субъединиц, уложенных по спирали. Сокращение чехла способствует проникновению ДНК в клетку хозяина 

При электронно-микроскопическом анализе строения капсидов на их поверхности удается обнаружить выступы, шипы, которые обычно расположены на каждой из 12 вершин икосаэдра. Эти шипы играют важную роль в инициации инфекции. В литературе описан "волосатый" фаг, у которого от поверхности головки вириона отходят многочисленные фибриллы. 

Далеко не у всех вирусов животных вирионы имеют описанные формы.

Вирионы рабдовирусов по форме напоминают пулю; их оболочка образуется в результате отпочкования от плазматической мембраны клетки. Вирионы группы оспы имеют форму параллелепипеда с неравными ребрами, полностью формируются в цитоплазме клетки (слайд 9.19).

Размеры вирусных частиц могут достигать нескольких сотен нанометров (слайд 9.20).

 

Химический состав вирусов

 

Вирусы имеют сравнительно простой химический состав. Непременным компонентом вирусной частицы является нуклеиновая кислота, белок и зольные элементы (К, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Cu), соединенные с отрицательно заряженными группами нуклеиновой кислоты и белка. Эти три компонента являются общими для всех без исключения вирусов (простых или минимальных). Липиды и углеводы входят в состав сложных вирусов (слайд 9.21).

Различают две большие группы вирусов: ДНК-геномные и РНКгеномные. Большинство вирусов растений содержат РНК. Среди вирусов человека и животных широко представлены обе группы. Большинство бактериофагов являются ДНК-геномными вирусами. 

Вирусная ДНК. Молекулы вирусных ДНК могут быть двух цепочечными или одно цепочечными, линейными или кольцевыми. Для двуспиральной циклической ДНК характерна суперспирализация, при этом изменяются свойства молекулы, повышается устойчивость к экзонуклеазам. Большинство нуклеотидных последовательностей в вирусном геноме встречается лишь по одному разу (слайд 9.22).

В составе ДНК фагов обнаружены аномальные азотистые основания: вместо цитозина – 5-оксиметилцитозин или 6-метилцитозин, а вместо тимина – 5-оксиметилурацил. Глюкозилирование ДНК некоторых фагов придает ей стабильность, делает нечувствительной к действию ДНКазы.

Вирусная РНК. У вирусов РНК выполняет функции вещества наследственности. Может быть двух- или одноцепочечная (слайд 9.23).

Геном одного вируса может быть фрагментированным. Эти фрагменты могут входить в состав одного вириона (моновирусы) или разных вирионов (ковирусы или мультивирусы). Распределение генома одного вируса по разным вирионам позволяет увеличить объем генетической информации без увеличения массы молекулы РНК и вириона в целом. У реовирусов геном состоит из 10 фрагментов, все фрагменты обнаруживаются в составе одного вириона.

У некоторых представителей РНК-вирусов одна и та же вирионная молекула РНК может выполнять функции матрицы для собственной репликации и функции мРНК, ее обозначают как (+) цепь РНК. Молекулы РНК, которые служат матрицей для собственной репликации и не могут транслироваться, обозначают как (-) цепь. 

Вирусные белки. Белки, входящие в состав вирионов, называют структурными. Количество структурных белков – от 1-2 до 10-30 видов. Белок всех исследованных до настоящего времени вирусов построен из Lаминокислот (слайд 9.24). 

У вирусов со сложной организацией вириона обнаружены основные (гистоноподобные), так называемые «внутренние» белки, которые связаны с нуклеиновой кислотой.

Белки выполняют защитную функцию, придают стабильность молекулам нуклеиновой кислоты, облегчают их проникновение в клетку. 

Особенности белковых оболочек вирусов:

1. Устойчивость к протеолитическим ферментам. Маскировка концевых аминокислот и другие особенности третичной и четвертичной структур белков придают им высокую устойчивость к действию протеаз. 

2. Устойчивость к действию ряда физических и химических факторов. Например, вирус полиомиелита выдерживает изменения рН от 1,6 до 10,0, обработку 0,5 %-м раствором фенола, 50 %-м сернокислым аммонием, а также эфиром, ацетоном, уксуснокислым свинцом. В то же время многие вирусы довольно чувствительны к изменению рН и действию ядовитых веществ. Каких-либо общих закономерностей в этом отношении не отмечено. 

Ферменты вирусов. Большинство вирусов на стадии вирионов лишено какой ферментативной активности. В составе вирионов миксовирусов содержится нейраминидаза – фермент, вызывающий гидролитическое отщепление нейраминовой кислоты, которая входит в состав оболочек эритроцитов (слайд 9.25). 

В составе некоторых вирусов обнаружены ферменты, участвующие в репликации вирусных нуклеиновых кислот: ДНК-зависимая РНКполимераза, осуществляющая транскрипцию ранних РНК с ДНК (вирус оспоквакцины), РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза) и РНКзависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза), которые транскрибируют РНК и ДНК с матрицы РНК (онкогенные вирусы). 

У бактериофагов обнаружены 2 вируоспецифичных фермента: лизоцим и аденозинтрифосфатаза.

Углеводы. Единственная группа вирусов, в которой наличие углеводов точно доказано, - вирусы животных. В составе вируса гриппа и классической чумы птиц находятся до 17 % углеводов, олигосахаридов, образованных галактозой, маннозой и другими моносахарами; эти углеводные компоненты находятся в связанном состоянии в составе гликолипидов и гликопротеидов (слайд 9.26).

Липиды. Двойной слой липидов образует основную массу наружной оболочки у тех вирусов, у которых она имеется. Чаще всего липиды вирионов близки по составу к липидам клетки хозяина. В вирусах животных липиды могут составлять значительную часть: вирион энцефаломиелита лошадей содержит 54% липидов, вирус гриппа – 18-37%. Небольшое количество липидов обнаружено у бактериофагов и некоторых крупных вирусов растений.

Полиамины. Возможно, что их единственная физиологическая функция состоит в нейтрализации отрицательного заряда нуклеиновой кислоты. 

 

Вирусы животных

 

«Воротами инфекции» зоопатогенных вирусов могут быть носоглотка, пищеварительный тракт, кожные покровы. Попав в организм человека или животного, вирусы оказываются на поверхности клеток, где происходит их адсорбция. 

Процесс адсорбции состоит из двух этапов: неспецифической (обратимой) и специфической (слайд 9.28). 

Проникновение происходит путем впячивания цитоплазматической мембраны клетки в месте адсорбции вируса (виропексис). Затем наблюдается разрушение белковой оболочки под действием протеаз – эклипс.

Репродукция вируса осуществляется с помощью биосинтетического аппарата клетки. Время репродукции у вирусов животных – несколько часов (слайд 9.29). 

Первый этап: синтез группы ранних белков (репрессоры клеточного метаболизма, вирус-специфичные полимеразы).

Второй этап: синтез вирус-специфичных белков и нуклеиновых кислот. 

Третий этап: синтез группы поздних белков (структурные вирусные белки) в рибосомах клетки. 

Затем происходит формирование зрелых вирусных частиц, количество которых в одной клетке может достигать нескольких тысяч.

Если вирус содержит двунитевую ДНК, то синтез мРНК происходит обычным путем, как в нормальной клетке. Синтез вирусной ДНК происходит в ядре клетки, но иногда в цитоплазме (слайд 9.30).

Если вирус имеет однонитевую ДНК, то она сначала превращается в двунитевую ДНК, которая служит матрицей для синтеза мРНК.  

Если вирус содержит двунитевую РНК и транскриптазу, вирусная РНК ведет себя аналогично ДНК. Она служит матрицей, как для синтеза мРНК, так и для саморепликации. Оказалось, что у всех до сих пор обнаруженных вирусов этого класса геном сегментирован, т.е. состоит из множества хромосом, каждая из которых кодирует один полипептид.

Если вирус содержит однонитевую (+) цепь РНК, она присоединяется к рибосоме и начинается синтез белка, т. е. вирусная РНК может непосредственно транслироваться (играет роль м-РНК). При этом образуются молекулы вирус-специфичного фермента полимеразы, способной катализировать транскрипцию с вирионной РНК, которую обозначают как (+) цепь, на комплементарную ей (-) цепь РНК. Далее освобождающиеся молекулы (-)РНК служат матрицами для синтеза вирионной РНК, т.е. (+)РНК.

Если вирус содержит однонитевую (-) цепь РНК, она является матрицей для синтеза м-РНК. 

Процесс репродукции ретровирусов усложняется тем, что на матрице РНК при участии РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратной транскриптазы) синтезируется вирус-специфическая ДНК, сначала однонитевая, а затем двунитевая. Последняя служит матрицей для синтеза молекул вирусной РНК, которые вначале выполняют функцию мРНК, а затем, с увеличением числа молекул, соединяются с белком и образуют вирионы. 

Синтез вирусных РНК происходит в цитоплазме, но есть вирусы, РНК которых синтезируется в ядре (миксовирусы).

Принцип самосборки лежит в основе формирования всех вирусов. Самосборка – это способность белковых молекул к самопроизвольной и упорядоченной агрегации, которая может привести к образованию биологической структуры. Этот физико-химический процесс, необратимый, напоминает кристаллизацию. Однако формирование сферических и сложных вирусов происходит при участии ряда ферментных систем как вирусного, так и клеточного происхождения (слайд 9.31). 

Выход вирусов из клетки. Вирусы животных покидают клетку путем выталкивания участков цитоплазмы, либо путем выхода отдельных вирионов или небольших их групп (слайд 9.32). 

 

Вирусы растений

 

Адсорбции нет (слайд 9.33).

Проникновение осуществляется только через поврежденные оболочки клеток. Возможен контактный способ передачи инфекции; от материнского растения к дочернему; через животных, питающиеся на этих растениях. 

Репродукция. Зависит от типа нуклеиновой кислоты. Как правило, вирусы растений содержат РНК.

Самосборка. Вирионы ВТМ могут реконструироваться in vitro из РНК и белковых субъединиц.

Выход. Зараженные клетки продолжают продуцировать вирус, не подвергаясь лизису и оставаясь жизнеспособными. Благодаря этому в клетках растений концентрация вируса может достигать огромных значений. Вирусы растений переходят из клетки в клетку через межклеточные соединения (по плазмодесмам). Освободившись, вирионы могут заражать новые клетки хозяина, вследствие чего наблюдается быстрое распространение вирусной инфекции.

Ответные реакции зараженных клеток на инфекцию: некротические поражения, бессимптомные инфекции, интенсивное деление и даже опухолевая трансформация (слайд 9.34).

 

 

 

Вирусы бактерий

 

Адсорбция. Бактериофаги с отростками адсорбируются на рецепторных участках клеточной стенки с помощью нитей, отходящих от базальной пластинки. Нередко бактериофаги адсорбируются на ворсинках или на жгутиках. На одной бактериальной клетке может адсорбироваться до 300 фаговых частиц (слайд 9.35).

Проникновение. Может быть активным – путем инъекции, пассивным – путем трансфекции (слайд 9.36).

Суперинфекция – если бактерию, уже зараженную Т-четным фагом, спустя несколько минут вновь инфицируют этим же фагом, то второй контингент фага не участвует в размножении (так называемое исключение при суперинфекции) и не передает своей ДНК потомству. 

Репродукция. Время репродукции у фагов – 10-40 мин (слайд 9.37).

Самосборка. У сложных бактериофагов сборка трех главных частей вириона – головки, отростка и хвостовых фибрилл – происходит независимо друг от друга, и лишь на конечном этапе эти части объединяются в единую структуру. 

Выход из клетки осуществляется более или менее одновременно вследствие полного ее разрушения (лизиса), вызываемого вирусными ферментами: «взрывной» тип (слайд 9.38). 

Вирус, проникший в клетку, вызывает в ней значительные изменения.

Цитопатогенное действие может проявляться в угнетении синтеза клеточных ДНК, РНК, белка и, как следствие, в нарушении основных метаболических процессов клетки.

 

Типы

Умеренные фаги – способны лизогенизировать заражаемые ими бактерии, вирулентные фаги – у которых такая способность отсутствует

(слайд 9.44). 

Лизогенные бактерии обладают потенциальной способностью продуцировать фаги, но эту способность нельзя обнаружить ни морфологическим, ни серологическим исследованием. Фаг в таком неинфекционном состоянии, передающийся только дочерним клеткам при делении, называют профагом. 

Лизогенные бактерии иммунны к заражению теми фагами, которые присутствуют в них в виде профага. 

Лизогенность – устойчивый признак бактериального штамма. Это явление очень широко распространено среди бактерий (слайд 9.45). 

При лизогенизации нуклеиновая кислота бактериофага может придавать клетке новые свойства – явление лизогенной конверсии. Например, подвижность, образование токсинов, антибиотиков (слайд 9.46).

Изредка, с вероятностью порядка 10^-4 профаг может превращаться в вегетативную форму бактериофага. Выделение бактериофага из хромосомы можно вызвать различными воздействиями: нагреванием, перекисью водорода, УФ-лучами, рентгеновскими лучами в малых дозах и другими мутагенными агентами. 

Система интерферона. Защитные реакции клетки в ответ на проникновение вируса в основном аналогичны ее иммунным реакциям на бактериальную инфекцию (слайд 9.47). 

Наиболее специфическая реакция на вирусную инфекцию – выработка антител. Одним из неспецифических защитных факторов может быть система интерферона. Интерферон – индуцибельный белок, обладает антивирусной, антиклеточной и противоопухолевой активностью. Индукторами синтеза интерферона являются вирусы, бактерии, бактериальные токсины, а также ряд физических и химических факторов

(слайд 9.48). 

Эффективность воздействия интерферона зависит от его концентрации, времени введения и множественности заражения. Наиболее эффективен интерферон на ранних этапах инфекции. 

Интерферон блокирует репродукцию РНК- и ДНК-вирусов. Он ингибирует в зараженных клетках синтез вирусных РНК, ферментов, структурных вирусных белков. 

Интерференция вирусов. Некоторые вирусные инфекции исключают возможность последующего размножения в тех же клетках других неродственных, а в некоторых случаях и родственных вирусов – явление интерференции. В отличие от действия интерферона оно связано не с реакцией генома клетки на вирусную инфекцию, а с тем, что первый вирус образует в клетке специфические продукты, препятствующие размножению в той же клетке другого вируса. 

 

Метод ПЦР.

 

 

Ретровирусы (класс VI)

 

Ретровирусы. Семейство Retroviridae.

Вирусы покрыты оболочкой. Геном образован однонитевой (+)РНК, образующей комплекс из двух идентичных субъединиц. Тип симметрии спиральный или икосаэдральный (слайд 10.31).

В вирионе ретровирусов содержится РНК, однако внутри клетки они существуют в виде ДНК, интегрированной с геномом клетки-хозяина. Размножаясь путем почкования, подобно многим другим РНК- вирусам, поддерживают продуктивную инфекцию, не вызывая гибели клетки-хозяина. 

Характерная особенность семейства – наличие обратной транскриптазы (РНК-зависимая ДНК-полимераза). 

Обнаружено много самых разнообразных ретровирусов, однако патогенностью для человека обладает ограниченная группа.

Подсемейства Oncovirinae – содержит группу онковирусов. Некоторые из них способны вызывать злокачественные опухоли. Лучше других изучены вирус саркомы Рауса и вирусы, вызывающие лейкозы у кур и мышей (слайд

10.32). 

Spumavirinae – «пенящие» вирусы, синцитиальные вирусы. 

Lentivirinae – «медленные» ретровирусы, вирусы иммунодефицита человека.

Вироиды

 

Возбудителями некоторых опухолей растений являются маленькие «голые», т.е. лишенные белковой оболочки, свободные молекулы РНК – вироиды. Это замкнутые в кольцо одноцепочечные молекулы с длиной цепи примерно в 360 нуклеотидов (мол. масса 12×10⁴ Да) (слайд 10.38).

Таким образом, они в десять раз меньше инфекционных РНК самых мелких из известных до сих пор вирусов, и, следовательно, это самые мелкие возбудители болезней. Вироиды вызывают болезни картофеля, цитрусовых, огурцов, хризантем, хмеля, кокосовых пальм и других растений (слайд

10.39).

 

Прионовые инфекции

 

Были открыты в 1982 году американским биологом, профессором Стенли Прюзинером. В 1997 ему была присуждена Нобелевская премия за

Прионовые инфекции

открытие принципиально нового типа инфекций – прионов. По степени сложности своего строения прионы относятся к наиболее простым из известных на сегодняшний день инфекционных агентов (слайд 10.40).

Прионы не содержат нуклеиновых кислот и состоят только из измененных белковых молекул хозяина.

Патогенные прион-протеины, способные к трансмиссии, являются мутантами клеточной изоформы нормального прион-протеина. К настоящему времени установлено 18 различных мутаций человеческого гена PrP, которые связаны с различными прионовыми болезнями (слайд 10.41).

Протеин-прион (PrP) представляет собой сиалогликопротеид с молекулярной массой 33-35 кДа, кодируемый единственным геном, расположенным у человека в 20 хромосоме. Прион PrP найден у всех млекопитающих. 

Протеин-прион (PrP) существует в двух формах:

– в виде нормальной, неинфекционной формы, которая встречается в головном мозге как в норме, так и у инфицированных больных (клеточный протеин-прион, или PrPc);

– изоформа, или PrP-Sc (от «scrapie» - болезнь овец), является патологической, инфекционной формой и накапливается в головном мозге только у больных людей и животных.

Прионы очень устойчивые к различным физико-химическим воздействиям. Наиболее эффективные воздействия оказываются в дозах, которые денатурируют практически все белки. 

PrP-с входит в состав наружных клеточных мембран. Предполагается, что прионы принимают участие в межклеточном узнавании и клеточной активации. Некоторые считают, что их функцией является подавление возрастных процессов и поэтому прионовые болезни сходны по своим клиническим и морфологическим характеристикам с геронтологическими заболеваниями.

В настоящее время у человека известны две группы заболеваний, вызываемых прионами: спонгиформные трансмиссивные энцефалопатии и спонгиформный миозит с прион-ассоциированными включениями.

Для прионных болезней характерно образование в нервной ткани вакуолей (окруженных мембраной пузырьков) и амилоидных бляшек (скоплений аномального прионного белка); в итоге постепенно формируется своеобразное губчатое строение ткани мозга («губчатая дегенерация»). Эти изменения постоянно сопровождаются уменьшением числа нейронов различных отделов коры.

Клинические проявления и симптоматика обусловлены вакуолизацией и гибелью нейронов. При развитии клинических проявлений нет ни признаков воспаления, ни биологических аномалий в крови или в энцефалоарахноидальной жидкости, ни тестов, прямых или косвенных, позволяющих уверенно поставить диагноз. Электроэнцефалограмма сомнительна. Клинический диагноз подтверждается только при гистологическом изучении центральной нервной системы.

Прионовые инфекции

К настоящему времени установлено прионное происхождение по крайней мере трех неврологических заболеваний человека. Все они относятся к редким: болезнь Крейтцфельда-Якоба; синдром «фатальной семейной бессонницы»; болезнь Куру;

Болезнь Крейтцфельда-Якоба характеризуется медленной прогрессирующей гибелью нейронов. Болезнь проявляется обычно у взрослых и характеризуется быстрым развитием деменции. В мозге пораженных наиболее часто наблюдается атрофия коры головного мозга с губкоподобными изменениями (слайд 10.42).

Заражение происходит при употреблении в пищу мяса коров, больных аналогичным заболеванием. Случаи передачи от человека к человеку были описаны при имплантации внутричерепных электродов, пересадке роговицы и, наиболее часто, при введении гормонов роста, экстрагированных из гипофиза человека.

Средний уровень регистрируемой в мире заболеваемости составляет около 0,5-1,0 на 1 млн. жителей. Средняя продолжительность жизни от начала болезни – шесть месяцев.

Болезнь Куру – это неврологическое заболевание, которое встречается исключительно среди жителей племен острова Папуа-Новая Гвинея, среди которых до недавнего времени существовал ритуал каннибализма (слайд

10.43). 

С момента первого описания этой болезни Гайдузеком и Зигасом в

1957 году до настоящего времени от болезни Куру погибло более 2 500 человек (почти 10% популяции некоторых деревень). Болезнь фактически исчезла с прекращением ритуального каннибализма.

Фатальная семейная бессонница – это наследственно обусловленная, неизлечимая болезнь, описана в 1986 году. Встречается очень редко. Имеет аутосомно-доминантный тип наследования, т.е. поражаются оба пола и отсутствуют носители (слайд 10.44). 

К прионным болезням у животных относятся почесуха (скрейпи) у овец и коз, губчатые энцефалопатии у коров («бешенство коров»). 

Очень важный аспект, связанный с эпидемиологией прионовых инфекций – это безопасность групп риска, соприкасающихся с зараженным материалом животных или больными людьми. К этой группе относятся ветеринарные и медицинские хирурги, патологоанатомы, ветсанэксперты, работники мясоперерабатывающей промышленности и некоторые другие категории лиц, контактирующие с потенциально возможными источниками инфекционного приона.

 

 

Питание микроорганизмов

 

Для роста микроорганизмов необходима вода и растворенные в ней питательные вещества.

Вода. Около 80-90 % массы микробных клеток составляет вода. Вода должна находиться в жидкой фазе, так как только в такой форме она доступна микроорганизмам. В отсутствие воды задерживаются или полностью прекращаются метаболические процессы.

Потребность в химических элементах. Микробной клетке необходимы макро- и микроэлементы. К первым относятся десять элементов, содержащихся во всех организмах: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний и железо (С, О, Н, N, S, Р, К, Са, Mg, Fe). Микроэлементы – это марганец, молибден, цинк, медь, кобальт, никель,

ванадий, бор, хлор, натрий, селен, кремний, вольфрам и другие. В них нуждаются не все организмы (слайд 11.6). 

Большинство элементов вносят в питательную среду в виде солей. 

 

 

11.2.1. Круговорот углерода и кислорода

 

Источники углерода. Среди всех элементов наибольшее значение имеет углерод, содержание которого составляет 50 % сухой массы клетки. Микроорганизмы способны утилизировать практически все известные в природе органические соединения. 

Высокой питательной ценностью характеризуются различные сахара, глицерин, маннит, органические кислоты. Плохо усваиваются микроорганизмами более окисленные соединения. Какое бы углеродное соединение ни использовалось микробной клеткой, оно сначала расщепляется до низкомолекулярных веществ, которые затем вовлекаются в биосинтетические процессы. Во время процесса расщепления из химических соединений извлекается энергия, которая в форме АТФ может использоваться микроорганизмами.

Многие виды бактерий обладают способностью при изменении условий внешней среды переключаться с одного типа питания на другой. Их называют миксотрофами (слайд 11.7). 

Воздух содержит приблизительно 0,03% СO₂, эта концентрация поддерживается относительно постоянной в результате динамического равновесия между фотосинтезом и минерализацией. Постоянство СО₂ в воздухе поддерживается как физико-химическими, так и биологическими процессами. 

Круговорот углерода. Циклические превращения углерода и кислорода осуществляются главным образом в результате двух процессов – кислородного фотосинтеза, с одной стороны, и дыхания и горения – с другой (слайд 11.8). 

Путем кислородного фотосинтеза окисленная форма углерода (СO₂) переходит в восстановленное состояние, в котором он находится в органических соединениях, а восстановленная форма кислорода (Н₂О) окисляется до молекулярного кислорода (O₂). На суше основными организмами, проявляющими фотосинтетическую активность, являются растения. В океанах одноклеточные фотосинтезирующие организмы играют наиболее важную роль в фотосинтезе. Микроскопические водоросли океана (фитопланктон) способны развиваться в поверхностных слоях воды повсюду, где для них создаются благоприятные условия. Согласно одному из расчетов, общая ежегодная фиксация углерода в океанах достигает приблизительно 1,2×10¹⁰ т, тогда как фиксация на суше составляет около 1,6×10¹⁰ т. 

Гетеротрофный метаболизм завершает этот цикл путем расщепления органических веществ и образования субстратов для фотосинтеза: СO₂ и Н₂O.

Водоросли, животные и растения вносят свой вклад в этот процесс за счет дыхательной активности. Однако основную массу органического вещества окисляют бактерии и грибы. 

Таким образом, циклические превращения углерода и кислорода тесно связаны между собой посредством кислородного фотосинтеза, с одной стороны, и аэробного дыхания – с другой.

 

11.2.2. Круговорот углерода и кислорода

 

Источники азота. Азот необходим микроорганизмам для синтеза нуклеиновых кислот, белков, полимеров клеточной стенки. В качестве источника азота микроорганизмы используют минеральные и органические соединения и в зависимости от этого делятся на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы (слайд 11.9).

Аминоавтотрофные организмы строят азотсодержащие компоненты либо из минеральных веществ, либо из аминных групп, оторванных от органических субстанций. 

Наиболее доступными являются ионы аммония NH₄⁺. (NH₄)₂SО₄, NH₄Сl, которые по мере потребления иона аммония подкисляют среду, что не способствует нормальному развитию клеток. 

Менее доступны нитраты, так как азот нитратов для того, чтобы включиться в органические соединения, должен быть предварительно восстановлен до уровня аммиака в энергетически зависимой реакции.

Нитриты для большинства микроорганизмов ядовиты. Они используются только специфическими группами микроорганизмов и в том случае, когда их концентрация в среде очень мала.

Наименее доступен в качестве источника азота атмосферный азот N₂. Азотфиксирующие микроорганизмы имеют нитрогеназный комплекс, активирующий инертную молекулу атмосферного азота. 

Таким образом, степень усвояемости минеральных источников азота определяется тем, насколько легко они превращаются в аммиак.

Аминогетеротрофные микроорганизмы строят белки из готовых аминокислот. Для этого они используют сложные белковые субстраты, пептоны или отдельные аминокислоты. Белки предварительно гидролизуют с помощью протеолитических ферментов, выделяемых в среду. Потребностью в готовых аминокислотах обладают главным образом патогенные микробы, а также молочнокислые бактерии.

Если в питательной среде недостает хотя бы одной аминокислоты, то микроорганизм переходит на аминоавтотрофный способ существования и создает недостающую аминокислоту.

Если источником азота служат белки, пептоны или аминокислоты, то источники углерода не нужны, так как эти субстраты используются одновременно и как источники углерода. Но при использовании минеральных источников азота присутствие углеродного сырья необходимо.

Круговорот азота включает 4 стадии: фиксацию азота, аммонификацию, нитрификацию и денитрификацию (слайд 11.10).

Процесс фиксации азота – это в основном биологический процесс. Свыше 90% общей фиксации азота обусловлено метаболической активностью бактерий. Фиксация азота осуществляется свободноживущими и симбиотическими бактериями. Симбиотические – бактерии рода Rhizobium. Свободноживущие – цианобактерии (Anabaena и Nostoc), Azotobacter,

Beijerinckia, Bacillus polymyxa, Clostridium и другие.

В процессе аммонификации происходит гидролиз белков и нуклеиновых кислот с освобождением аминокислот и органических азотистых оснований, которые затем также расщепляются в результате дыхания и брожения. Аммонификация осуществляется как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Разрушение белка в анаэробных условиях с образованием аминов характерно для бактерий рода Clostridium. В присутствии воздуха амины окисляются; другими бактериями с выделением аммиака.

Микроорганизмы, способные к аммонификации, относятся к группе гетеротрофов. Эта группа представлена грамположительными споровыми палочками (В. subtilis, В. Megatherium, Clostridium) и бесспоровыми формами

(Pseudomonas, Micrococcus, Arthrobacter, Mycobacterium, Proteus и др.) 

Нитрификация – превращение аммиака в нитрат – осуществляется в природе бактериями семейства Nitrobacteraceae. Они, как правило, развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного субстрата – аммиака.

Нитрификация происходит в два этапа: на первом аммиак окисляется до нитрита, на втором нитрит окисляется до нитрата. 

Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговороте азота в природе, имеет как положительные, так и отрицательные стороны. 

Денитрификация – процесс восстановления нитратов. Происходит в анаэробных условиях, нитрат используется в качестве конечного акцептора электронов, осуществляется процесс нитратного дыхания. Некоторые бактерии (Escherichia coil) способны восстанавливать нитрат только до уровня нитрита, другие (Pseudomonas denitrificans) – до газообразного азота. 

Этот процесс широко распространен среди бактерий и обнаружен у представителей более 70 родов. В наибольшей степени – у бактерий из родов Bacillus и Pseudomonas.

Все денитрифицирующие бактерии – факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие O₂, поэтому, вероятно, их приспособление к анаэробным условиям – вторичного происхождения.

 

11.2.3. Потребность в макро- и микроэлементах

 

Наряду с углеродом и азотом микроорганизмам для синтеза клеточного вещества нужны различные элементы, которые входят в состав органических соединений. Их присутствие даже в ничтожно малых количествах влияет на свойства микроорганизмов и качество образуемых метаболитов (слайд

11.11).

Сера необходима для синтеза серосодержащих аминокислот и некоторых коферментов. Сера стимулирует протеолитические ферменты. Она обычно потребляется микроорганизмами в виде сульфатов. Некоторые микроорганизмы используют восстановленные соединения серы, в энергетических целях. 

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ, коферментов, фосфолипидов, тейхоевых кислот и др. Фосфор получают из фосфорнокислых солей, калия или натрия, источником фосфатов также могут служить нуклеиновые кислоты.

Кальций входит в состав эндоспор, изменяет проницаемость протоплазмы. 

Магний присутствует в клеточных стенках, мембранах.

Железо содержится в цитохромах, каталазе и других ферментах и играет важную роль в регуляции степени агрегации рибосомальных частиц.

Молибден активирует целую группу ферментов, ответственных за процессы брожения, фиксации азота, нитрификации.

Большинство микроорганизмов обладает способностью самостоятельно синтезировать все необходимые для роста вещества, они называются прототрофами. Микроорганизмы, лишенные способности синтезировать некоторые органические соединения (аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, витамины), называются ауксотрофами (слайд

11.12). 

 

11.3. Способы размножения микроорганизмов

 

Для большинства прокариот характерно бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток (слайд 11.13). 

У большинства грамположительных бактерий и нитчатых цианобактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущего от периферии к центру. Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки.

Вариантом бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление (слайд 11.14). Клеточная стенка почки полностью синтезируется заново. При равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало двум дочерним клеткам и сама, таким образом, исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке, и между ними можно обнаружить морфологические и физиологические различия. В этом случае можно наблюдать процесс старения. Так, для некоторых штаммов Rhodomicrobium показано, что материнская клетка способна отпочковывать не более 4

ПРОКАРИОТОВ

 

12.1. Конструктивные и энергетические процессы 

12.2. Энергетический метаболизм прокариотов 

12.3. Процессы брожения

12.3.1. Молочнокислое брожение

12.3.2. Спиртовое брожение

12.3.3. Маслянокислое брожение

12.4. Бактериальный фотосинтез 

12.4.1. Строение фотосинтетического аппарата

12.4.2. Фотофизические процессы, лежащие в основе фотосинтеза

12.5. Дыхательные процессы (слайд 12.3)

12.5.1. Цикл трикарбоновых кислот

12.5.2. Неполное окисление

12.5.3. Дыхательная цепь

12.5.4. Анаэробное дыхание

 

12.1. Конструктивные и энергетические процессы 

 

Совокупность протекающих в клетке процессов, обеспечивающих воспроизводство биомассы, называется обменом веществ, или метаболизмом. Клеточный метаболизм складывается из двух потоков реакций: энергетического и конструктивного метаболизма (слайд 12.4). 

Энергетический метаболизм (катаболизм) – это поток реакций, сопровождающихся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую (ΔμH⁺) или химическую (АТФ) форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах. 

Конструктивный метаболизм (анаболизм) – поток реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток; это процесс, связанный с потреблением свободной энергии, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединений.

Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке одновременно и тесно связаны между собой по нескольким каналам:

– энергетическому: реакции энергетического метаболизма поставляют энергию, необходимую для биосинтезов. 

– восстановительному: источником восстановителя в виде водорода (электронов) служат реакции энергетического метаболизма. 

– метаболическому: промежуточные этапы или метаболиты (амфиболиты) обоих путей могут быть одинаковыми. Промежуточные реакции, одинаковые для обоих потоков, – амфиболические.

 

Молочнокислое брожение

 

Гомоферментативное молочнокислое брожение. Начинается с гликолитического пути, 10 из 11 реакций у этих процессов идентичны (слайд 12.9).

Основными субстратами служат моносахара (глюкоза) и дисахара

(мальтоза, лактоза). Брожения более сложных субстратов проходят через путь предварительного расщепления их до глюкозы или продуктов ее превращения (глюкозо-6-фосфата).

Конечный выход энергии на окислительном этапе распада глюкозы составляет 2 молекулы АТФ на 1 моль глюкозы. Помимо этого образуется 2 молекулы ПВК и 2 молекулы восстановленного переносчика (НАД-H₂). 

Молекула ПВК – достаточно окисленное соединение и может служить акцептором электронов. В этом случае при участии фермента лактатдегидрогеназы 2 электрона переносятся с НАД-H₂ на молекулу пировиноградной кислоты, что приводит к образованию молочной кислоты

(2). 

 

глюкоза + 2Ф_Н + 2АДФ → 2 молочная кислота + 2АТФ + 2H₂O (2)

 

Гетероферментативное молочнокислое брожение. Начинается с пентозофосфатного пути. Этот путь позволяет использовать в качестве энергетического материала не только гексозы, но и пентозы, а также синтезировать рибозы, необходимые для построения нуклеиновых кислот и других соединений (слайд 12.10).

Конечные продукты брожения – C2- и C3-фрагменты: 3-ФГА и ацетилфосфат. 3-ФГА претерпевает ряд ферментативных превращений, идентичных таковым гликолиза, и через пируват превращается в молочную кислоту (слайд 12.11).

Судьба двухуглеродного фрагмента различна: двухступенчатое восстановление ацетилфосфата приводит к накоплению в среде этанола; окислительный путь превращения ацетилфосфата завершается образованием уксусной кислоты.

В качестве конечных продуктов образуются молочная и уксусная кислоты, этиловый спирт, глицерин, CO₂ и др (слайд 12.12). Образование уксусной кислоты из ацетилфосфата сопряжено с синтезом АТФ. Если брожение идет с образованием этанола, то выход энергии равен 1 молекуле АТФ на молекулу сброженной глюкозы (3); если образуется уксусная кислота, то общий энергетический баланс процесса составляет 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы, т. е. такой же, как при гликолизе (4):

 

глюкоза + Ф_Н + АДФ → лактат + АТФ + этанол + СО₂         (3)

 

глюкоза + 2Ф_Н + 2АДФ + НАД⁺ → 

                         → лактат + 2АТФ + ацетат + СО₂+ НАДН₂              (4)

 

Молочнокислые бактерии

Гомоферментативное молочнокислое брожение осуществляют молочнокислые бактерии, относящиеся к родам Lactococcus и Pediococcus, а также некоторые представители рода Lactobacillus (слайд 12.13).

Гетероферментативные молочнокислые бактерии Leuconostoc mesenteroides сбраживают глюкозу в молочную кислоту, этанол и CO₂.

У других гетероферментативных молочнокислых бактерий больший удельный вес занимает накопление уксусной кислоты: Lactobacillus fermentum, Lactobacillus brevis.

Большинство молочнокислых бактерий имеют два пути сбраживания углеводов: гликолитический и пентозофосфатный. Сбраживание гексоз, как правило, протекает по гликолитическому пути, а пентоз – по окислительному пентозофосфатному. Это имеет место у представителей рода Lactobacillus: L.

casei, L. plantarum, L. xylosis. 

 

Спиртовое брожение

 

Процесс спиртового брожения идет по пути гликолиза до образования ПВК. Затем, в результате ее окислительного декарбоксилирования при участии ключевого фермента спиртового брожения пируватдекарбоксилазы образуется, уксусный альдегид (слайд 12.14).

Особенность реакции заключается в ее полной необратимости. 

Образовавшийся ацетальдегид становится конечным акцептором водорода и восстанавливается до этанола с участием НАД+-зависимой алкогольдегидрогеназы. 

В итоге из 1 молекулы гексозы образуются 2 молекулы этилового спирта и 2 молекулы углекислоты. Сбраживание 1 молекулы глюкозы приводит к образованию 2 молекул АТФ (5). 

 

глюкоза + 2 ФН + 2АДФ → 2этанол + 2АТФ + 2СО₂    (5)

 

Формы брожения по Нейбергу (слайд 12.15)

В присутствии бисульфита основным продуктом брожения будет глицерин. Оказалось, что бисульфит образует комплекс с ацетальдегидом, и последний не может больше функционировать как акцептор электронов. Следствием этого является передача электронов от НАД-H₂ на фосфодиоксиацетон, восстановление его до 3-фосфоглицерина и дефосфорилирование, приводящее к образованию глицерина. Кроме глицерина в среде происходит накопление ацетальдегида (в комплексе с бисульфитом), этанола и CO₂, но образование последних двух продуктов подавлено (6).

 

глюкоза + бисульфит → глицерол + ацетальдегидсульфит + СО₂ (6)

 

Спиртовое брожение протекает обычно при pH 3-6. Если его проводить в щелочной среде, например в присутствии NaHCO₃ или Na₂HPO₄, также происходит накопление глицерина. Оказалось, что в щелочных условиях ацетальдегид участвует в реакции дисмутации с образованием уксусной кислоты и этилового спирта. Акцептором электронов, как и в предыдущем случае, служит фосфодиоксиацетон, который преобразуется в глицерин (7).

 

2глюкоза + Н₂О → этанол + ацетат + 2глицерол + 2СО₂       (7)

 

В условиях свободного доступа кислорода воздуха процесс спиртового брожения ингибируется и активируется дыхание – «эффект Пастера». 

Микроорганизмы, осуществляющие спиртовое брожение: Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Saccharomycodes, Mucor, Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora, Zymomonas mobilis. В анаэробных условиях у высших растений также отмечено накопление этилового спирта (слайд

12.16).

 

Маслянокислое брожение

 

В маслянокислом брожении происходят реакции конденсации: С₂соединений, в результате чего образуется С₄-акцепторная кислота. В качестве конечных продуктов в процессе брожения возникают соединения различной степени восстановленности. Характерным продуктом брожения является масляная кислота (слайд 12.17). 

Превращение глюкозы до пирувата осуществляется по гликолитическому пути. Ключевая реакция – разложение пирувата до ацетил-КоА и CO₂.

Путь, ведущий к синтезу масляной кислоты, начинается с реакции конденсации двух молекул ацетил-КоА. Он не связан с получением клеткой энергии, функция – акцептирование водорода, образовавшегося в процессе гликолиза. Другое направление – превращение ацетил-КоА, ведущее к синтезу ацетата, именно с этим путем связано дополнительное получение энергии (при этом синтезируется молекула АТФ). 

Основным источником выделяемых при брожении газообразных продуктов (CO₂ и H₂) служит реакция окислительного декарбоксилирования пирувата. 

Выведение уравнения маслянокислого брожения и определение его энергетического выхода затруднительно из-за лабильности процесса, состоящего из двух основных ответвлений: одного – окислительного, ведущего к образованию ацетата и АТФ, другого – восстановительного. Количественное соотношение между обоими ответвлениями зависит от многих внешних факторов (слайд 12.18).

В целом на 1 моль сбраживаемой глюкозы образуется 3,3 моля АТФ. Это наиболее высокий энергетический выход брожения из всех рассмотренных выше типов.

Маслянокислые бактерии. Осуществляют такой тип брожения бактерии, относящиеся к роду Clostridium. Некоторые клостридии наряду с кислотами накапливают в среде нейтральные продукты (бутиловый, изопропиловый, этиловый спирты, ацетон). Это дало основание выделить как вариант маслянокислого брожения ацетоно-бутиловое брожение (слайд

12.19). 

У клостридиев, осуществляющих ацетоно-бутиловое брожение, образование масляной кислоты происходит на первом этапе брожения. По мере подкисления среды (до pH ниже 5) и повышения в ней концентрации жирных кислот индуцируется синтез ферментов, приводящих к накоплению нейтральных продуктов, в первую очередь н-бутанола и ацетона. 

Изучение физиологии группы клостридиев, осуществляющих ацетонобутиловое брожение, привело к открытию В. Н. Шапошниковым явления двухфазности этого процесса, которое позднее было обнаружено в большинстве типов брожений, характеризующихся сложным набором конечных продуктов. 

 

12.4. Бактериальный фотосинтез 

 

Фотосинтез – это способ образования АТФ, при котором в качестве источника энергии используется свет. АТФ образуется при переносе энергии света, поглощенного фотосинтетической пигментной системой через цепь переноса электронов, этот процесс называется фотофосфорилированием (слайд 12.20).

Фотосинтез осуществляется разными группами бактерий: пурпурными и зелеными бактериями, гелиобактериями, цианобактериями и прохлорофитами, которые различаются по набору фотосинтетических пигментов (слайд 12.21).

В целом фотосинтетические пигменты бактерий обеспечивают поглощение света с длиной волны 300-1100 нм (слайд 12.22).

Структура пигментов представлена двумя классами химических соединений: тетрапирролами (хлорофиллы, фикобилипротеины) и полиизопреноидными цепями (каротиноиды).

Хлорофиллы бактерий, осуществляющих бескислородный фотосинтез (пурпурные и зеленые бактерии, гелиобактерии) получили общее название бактериохлорофиллов. Идентифицировано 6 основных видов бактериохлорофиллов: а, b, с, d, e, g. 

Все пурпурные бактерии содержат какую-либо одну форму бактериохлорофилла: a или b. Основными хлорофилльными пигментами зеленых бактерий являются бактериохлорофиллы с, d или e. Кроме них в клетках всех зеленых бактерий в небольшом количестве содержится бактериохлорофилл a. Необычный бактериохлорофилл g с максимумом поглощения 790 нм обнаружен у облигатно анаэробных фотосинтезирующих бактерий, выделенных в группу гелиобактерий.

Бактерии, осуществляющие кислородный фотосинтез (цианобактерии и прохлорофиты), содержат хлорофиллы, характерные для фотосинтезирующих эукариотных организмов. У цианобактерий – это хлорофилл a, у прохлорофитов – хлорофиллы a и b. 

Фикобилипротеины – красные и синие пигменты, содержащиеся только у цианобактерий: аллофикоцианин, аллофикоцианин B, а также значительные количества фикоцианина. Некоторые цианобактерий содержат также фикоэритрин. 

Каротиноиды. Это большая группа химических соединений, представляющих собой продукт конденсации остатков изопрена. Набор и количество отдельных каротиноидов определяют окраску пурпурных бактерий, густые суспензии которых имеют пурпурно-фиолетовый, красный, розовый, коричневый, желтый цвета. Каротиноидные пигменты поглощают свет в синем и зеленом участках спектра. Эти пигменты, как и хлорофиллы, локализованы в мембранах и связаны с мембранными белками.

Пигментные наборы фотосинтезирующих эубактерий позволяют им использовать весь диапазон длин волн падающей на Землю солнечной энергии. 

 

Дыхательные процессы

 

Дыхание – это энергодающий процесс, в ходе которого донорами электронов служат органические или неорганические соединения, а акцепторами – неорганические. Обычно конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород (слайд 12.30). Однако при анаэробном дыхании в качестве конечного акцептора выступают сульфаты, нитраты и карбонаты (фумарат).

Выход свободной энергии при полном окислении какого-либо органического соединения гораздо больше, чем при его сбраживании. У микроорганизмов, использующих в энергетических процессах кислород, превращения начинаются с тех же реакций, которые характерны для анаэробов. Но пируват не используется в качестве конечного акцептора водорода, а подвергается дальнейшему окислению с выделением значительного количества энергии (слайд 12.31). 

Пируват занимает центральное положение в промежуточном метаболизме. У большинства аэробов он подвергается действию ферментного комплекса пируват-дегидрогеназы, включающего три фермента, которые осуществляют:

– декарбоксилирование, 

– дегидрирование с переносом водорода на НАД,

– присоединение ацетильной группы и образование ацетил-КоА. 

Так происходит окислительное декарбоксилирование пирувата (8).

 

CH₃-CO-COOH + КоA-SH + НАД⁺ →

→ CH₃-CO~S-КоA + НАД-H₂ + CO₂           (8)

 

Дальнейшее превращение ацетил-КоА происходит в цикле лимонной кислоты или, по имени открывшего ученого, цикле Кребса. 

 

Цикл трикарбоновых кислот

 

ЦТК имеет двоякое назначение. Основная функция его заключается в полном окислении вовлекаемого органического субстрата и отщеплении водорода. Другая функция цикла – снабжение клетки предшественниками для биосинтетических процессов. Исходным субстратом ЦТК служит ацетилКоА, образующийся при окислительном декарбоксилировании пирувата. В дальнейшем осуществляется серия последовательно протекающих реакций взаимопревращения ди- и трикарбоновых кислот (слайд 12.32).

Врезультате одного оборота цикла происходят 2 декарбоксилирования, 4 дегидрирования и 1 фосфорилирование. Итогом 2 декарбоксилирований является выведение из цикла 2 атомов углерода, т. е. ровно столько, сколько его поступило в виде ацетильной группы. В результате 4 дегидрирований образуются 3 молекулы НАД-H₂ и 1 молекула ФАД-H₂. В результате фосфорилирования образуется 1 молекула АТФ. В процессе этих превращений весь водород оказывается на определенных переносчиках и задача теперь – передать его через другие переносчики на молекулярный кислород (слайд 12.33).

 

Неполное окисление

 

Уксуснокислые бактерии, выделенные в роды Gluconobacter и Acetobacter, могут получать энергию, осуществляя неполное окисление ряда органических соединений (этиловый спирт в уксусную кислоту) (слайд

12.34). 

Дальнейшая судьба полученных в результате неполного окисления продуктов различна. Некоторые уксуснокислые бактерии не способны к последующим превращениям образовавшихся соединений. Эти бактерии, объединенные в род Gluconobacter (единственный вид G. oxydans), глюкозу окисляют до глюконовой кислоты, этанол – только до ацетата, который дальше не может ими окисляться из-за отсутствия замкнутого ЦТК.

Вторую группу составляют бактерии, способные к полному окислению органических субстратов до CO₂ и H₂O. Бактерии этой группы объединены в род Acetobacter, типичным представителем которого является A. peroxydans.

Неполное окисление сахаров осуществляют и грибы с образованием большого разнообразия продуктов – молочной кислоты, фумаровой, янтарной, яблочной, муравьиной, уксусной, щавелевой, глюконовой. Например, Aspergillus niger превращает до 60 % глюкозы в лимонную кислоту, что используется в микробиологической промышленности (слайд

12.35).

Органические кислоты, выделяемые грибами, образуются либо непосредственно в реакциях цикла Кребса, либо путем преобразования кислот этого цикла. При недостатке энергетического материала продукты неполного окисления используются этими же организмами как субстрат для дыхания и полностью окисляются до СО₂ и Н₂О. 

 

Дыхательная цепь

 

Аэробы могут осуществлять более эффективную регенерацию АТФ. Они обладают особым аппаратом: дыхательной (электрон-транспортной) цепью и ферментом АТФ-синтазой (слайд 12.36).

Обе системы у прокариотов находятся в плазматической мембране, у эукариотов – во внутренней мембране митохондрий. Компоненты дыхательной цепи погружены в двойной липидный слой. 

Отданные субстратами протоны и электроны переносятся на плазматическую мембрану или на внутреннюю мембрану митохондрий. Через мембрану они транспортируются таким образом, что между внутренней и внешней сторонами мембраны создается электрохимический градиент с положительным потенциалом снаружи и отрицательным внутри. Этот перепад заряда служит движущей силой для регенерации АТФ. В процессе синтеза АТФ протоны переходят обратно с наружной стороны мембраны на внутреннюю. 

Синтез АТФ за счет энергии транспорта электронов через мембрану называют окислительным фосфорилированием или фосфорилированием в дыхательной цепи (слайд 12.37). 

Электроны с восстановленных переносчиков поступают в дыхательную цепь, где проходят через ряд этапов, опускаясь постепенно на все более низкие энергетические уровни, и акцептируются соединением, служащим конечным акцептором электронов. 

НАД(Ф)-зависимые дегидрогеназы катализируют отрыв водорода от молекул субстратов и передают его на стартовый переносчик дыхательной цепи – НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназу. Акцептором водорода от НАД(Ф)-H₂ являются флавиновые дегидрогеназы (ФАД). Водород с них поступает в дыхательную цепь на уровне хинонов (убихинон – Q). 

До кофермента Q осуществляется перенос атомов водорода. Далее, стоящий первым в цепи цитохром отрывает электрон от атома водорода и передает на систему цитохромов. Протоны в дальнейшем транспорте по дыхательной цепи не принимают участия и выделяются в среду.

В митохондриях обнаружено пять цитохромов (b, c, c₁, a, a₃), различающихся между собой спектрами поглощения и окислительновосстановительными потенциалами. По цепочке цитохромов, набор которых специфичен для каждого вида микроорганизмов, электроны передаются на конечный цитохром (a+a₃), называемый цитохромоксидазой. Последний передает электроны на молекулярный кислород с образованием ионов О₂^–. 

Выделенные в среду протоны водорода связываются с ионами О₂^– с образованием воды. 

Таким образом, в результате полного расщепления глюкозы в клетке аэробов выделяется в среду углекислый газ и вода. Содержащийся в конечных продуктах кислород имеет различное происхождение – в состав образующейся воды входит кислород воздуха, в состав углекислого газа – кислород окисляемого субстрата или кислород воды.

Система переноса построена таким образом, что происходит постепенное выделение энергии, заключенной в электроне, в результате чего в трех местах выделяется энергия в количестве, достаточном для образования АТФ.

Первое место образования АТФ находится между НАДН₂ и ФАД⁺, второе – на уровне цитохрома с и третье – на конечном этапе дыхательной цепи. Таким образом, место включения электронов от разных субстратов в цепь их дальнейшего транспорта определяет число синтезируемых молекул АТФ (слайд 12.38).

Таким образом, энергетический выход при окислении молекулы глюкозы приводит к образованию 38 молекул АТФ.

Ингибиторы дыхательной цепи. Амитал и ротенон блокируют перенос электронов на участке до цитохрома b, действуя предположительно на НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназу. Антимицин А (антибиотик, продуцируемый Streptomyces) подавляет перенос электронов от цитохрома b к цитохрому c₁.

Цианид, окись углерода и азид блокируют конечный этап переноса электронов от цитохромов a+a₃ на молекулярный кислород, ингибируя цитохромоксидазу. 

 

Анаэробное дыхание

 

Бактерии, осуществляющие анаэробное дыхание, относятся к факультативным или облигатным анаэробам. Донорами электронов у них могут служить органические или неорганические соединения сульфаты, нитраты, карбонаты, фумарат. В результате образуются соответствующие восстановленные продукты: сероводород, нитрит, азот, ацетат, сукцинат (слайд 12.39).

Описаны анаэробные бактерии, способные окислять органические соединения, используя в качестве конечного акцептора электронов Fe₃+ или

Mn₄⁺.

Диссимиляционная нитратредукция (нитратредуктаза). Происходят в анаэробных условиях и в присутствии субстратов. Осуществляется бактериями родов Pseudomonas, Bacillus, Paracoccus, Thiobacillus.

Нитратное дыхание отличается от нитрификации тем, что в этом процессе функционирует только первая стадия: образование нитрита, который может накапливаться в культуральной жидкости. Осуществляется бактериями кишечной группы (Enterobacter, Escherichia) и др.

Диссимиляционная сульфатредукция (сульфатредуктаза). Осуществляется сульфатредуцирующими бактериями (Desulfotomaculum, Desulfovibrio и др.). В природе они встречаются в сероводородном иле.

Карбонатное дыхание. Осуществляют ацетогенные   бактерии (Clostridium aceticum, Acetobacterium woodii). Автотрофы, способны к росту в присутствии водорода (окисляют) и углекислого газа.

Фумаратное дыхание широко распространено у гетеротрофов. Обнаружено у энтеробактерий, Vibrio, Bacteroides и пропионовых бактерий.

У микроорганизмов существует большое разнообразие в составе дыхательной цепи: 

– могут отсутствовать некоторые цитохромы; 

– цепь может быть разветвленной или укороченной; 

– донорами электронов могут служить органические и неорганические соединения.

– конечными акцепторами электронов могут быть органические или неорганические соединения (анаэробное дыхание);

– в анаэробных дыхательных цепях цитохромоксидазы заменены соответствующими редуктазами.

Итак, дыхательные цепи бактерий существенно отличаются от аналогичной системы, функционирующей в эукариотных клетках. Они менее стабильны по составу и значительно менее эффективны энергетически (слайд 12.40).

 

 

У ПРОКАРИОТОВ

 

13.1. Мономеры конструктивного метаболизма 

13.2. Ассимиляция углекислоты гетеротрофами и автотрофами. 

13.3. Усвоение минеральных соединений азота 

13.3.1. Фиксация азота

13.3.2. Ассимиляционная нитратредукция

13.4. Синтез аминокислот

13.5. Регуляция метаболизма (слайд 13.3)

13.5.1. Регуляция на уровне транскрипции

13.5.2. Регуляция путем изменения каталитической активности

 

Фиксация азота

 

Микроорганизмы способны фиксировать свободный азот из воздуха.

Прежде чем такой окисленный элемент станет составной частью аминокислот он должен быть восстановлен. Основными компонентами системы фиксации азота являются сильные восстановители: АТФ, ферредоксин или флаводоксин и нитрогеназный комплекс (слайд 13.12).

Нитрогеназа – двухкомпонентный ферментный комплекс, каждый компонент которого неактивен в отдельности (слайд 13.13). Молекулярные массы компонентов различны: у большого компонента – 150...270 кДа, малого – 50...70 кДа. Большой компонент – железо-молибден-протеин (молибдоферредоксин), малый – железо-протеин (азоферредоксин). 

Восстановление N₂ до NН₃ с участием нитрогеназы происходит по следующей суммарной реакции (18):

 

N₂ + 6Fe²⁺ + 6H⁺ + 12АТФ → 

                                     → 2NH₃ + 6Fe³⁺ + 12АДФ + 12Ф_н         (18)

 

Кислород репрессирует синтез нитрогеназы. Ее активность проявляется при низкой концентрации кислорода в газовой среде. Даже аэробные азотфиксаторы осуществляют процесс фиксации азота в микроаэробных условиях. Так, свободноживущий азотфиксатор Azotobacter образует слизь, препятствующую диффузии кислорода в клетки. К тому же азотобактер часто находится в ассоциации с не азотфиксирующими аэробами (слайд 13.14).

Клубеньки, где происходит фиксация азота бактериями рода Rhizobium, ограничивают доступ молекулярного кислорода. Эту же функцию выполняет леггемоглобин, активно связывающий кислород и контролирующий его поступление в бактероиды. У цианобактерий стенка гетероцисты надежно отделяет фермент от выделяемого ими кислорода в процессе фотосинтеза.

Нитрогеназа восстанавливает не только азот, но и неспецифические для нее субстраты: оксиды азота, цианиды, ацетилен и другие соединения с тройной связью.

Синтез аминокислот

 

Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков, но есть виды, нуждающиеся в большинстве аминокислот. В качестве исходных углеродных скелетов для биосинтеза аминокислот служит небольшое число промежуточных соединений различных метаболических путей. Введение в молекулу некоторых из них аминного азота приводит к образованию аминокислот. Однако в большинстве случаев исходные соединения должны подвергнуться значительным перестройкам, чтобы сформировать углеродный остов молекулы будущей аминокислоты.

Аммиак включается в состав аминокислот, благодаря трем главным реакциям: аминирования, амидирования и переаминирования (слайд 13.16).

Синтез аминокислот

Реакции аминирования приводят к образованию из пировиноградной кислоты аланина, а из α-кетоглутаровой – глутаминовой кислоты (слайд

13.17).

Реакции амидирования ведут к образованию глутамина и аспарагина из глутаминовой и аспарагиновой кислот. Глутаминовая кислота и глутамин прямо или косвенно служат донорами амино- и амидогрупп при синтезе практически всех аминокислот и других азотсодержащих органических соединений. Аспарагин используется только для синтеза белковых молекул (слайд 13.18). 

Во все остальные аминокислоты азот вводится посредством реакций переаминирования, катализируемых соответствующими аминотрансферазами, во всех реакциях одним из участников является глутаминовая кислота (слайд 13.19).

Еще одним путем включения азота аммиака в состав органических соединений является реакция, катализируемая карбамоилфосфат-синтетазой и приводящая к образованию карбамоилфосфата. Дальнейшее использование азота карбамоилфосфата происходит по двум путям: для синтеза пиримидинов и аргинина (слайд 13.20).

Особенностью биосинтеза аминокислот является использование общих биосинтетических путей. Так, 19 из 20 аминокислот, входящих в состав белков, можно по способу их происхождения разделить на 5 групп. Только одна аминокислота (гистидин) образуется по отдельному биосинтетическому пути (слайд 13.21). 

Вновь синтезированные аминокислоты включаются в белки под контролем генетического аппарата клетки.

 

Регуляция метаболизма

 

Многообразие обменных процессов, необходимых для синтеза различных веществ и роста клеток, требует их хорошей координации. Регуляция метаболизма – управление скоростью биохимических процессов путем обратимого изменения количества ферментов, участвующих в этих процессах, или их активности. Регуляция клеточного метаболизма происходит на двух уровнях: 

– на уровне биосинтеза ферментов,

– на уровне изменения их активности (слайд 13.22).

На уровне биосинтеза ферментов регулируются, как правило, многие метаболические процессы (анаболизм и катаболизм). Как выяснилось, экспрессия генов у прокариотов регулируется главным образом на уровне транскрипции. Ферменты и другие белковые посредники можно подразделить на два основных класса: конститутивные и индуцибельные.

Многие ферменты образуются непрерывно вне зависимости от условий среды и наличия в клетке соответствующих субстратов; такие ферменты называют конститутивными. Синтез других белков резко ускоряется в присутствии их субстратов. Такое явление было названо индукцией, а сами белки – индуцибельными.

Образование катаболических ферментов регулируется путем индукции. Все другие катаболические ферменты, которые клетка способна синтезировать, не должны образовываться, пока в них нет надобности (слайд 13.23).

Если в питательной среде содержится только один субстрат, то в клетках образуются ферменты, необходимые для расщепления именно этого субстрата. Соответственно говорят об индукции ферментов, индуцирующем субстрате и индуцируемых (индуцибельных) ферментах. Для синтеза большинства ферментов, участвующих в катаболизме субстратов, требуется индукция.

Образование анаболических ферментов регулируется путем репрессии. В присутствии конечного продукта или при его накоплении снижается скорость синтеза всех ферментов, специфичных для данного биосинтетического пути. Если в среде имеются одновременно два субстрата, то бактерия обычно «предпочитает» тот субстрат, который обеспечивает более быстрый рост. Синтез ферментов, расщепляющих второй субстрат, репрессируется; в этом случае говорят о катаболитной репрессии (слайд

13.24).

Регуляция на уровне активности ферментов свойственна, как правило, только ключевым ферментам клеточного метаболизма. Каталитическая активность ферментов может подвергаться изменениям: повышаться (под действием положительного эффектора) или снижаться (под действием отрицательного эффектора). При ингибировании конечным продуктом (ретроингибировании) этот продукт подавляет активность первого фермента, участвующего в данной цепи реакций (слайд 13.25).

Оба типа регуляции – индукция и репрессия, с одной стороны, и изменение активности фермента, с другой, приводят к почти одинаковому результату: они влияют на «пропускную способность» того или иного метаболического пути. Индукция и репрессия действуют медленно, и их можно рассматривать как механизмы грубой регуляции. Изменение активности ключевого фермента проявляется мгновенно; это уже тонкая регуляция.

 

Почвенные экосистемы

 

Почва является естественной средой обитания микроорганизмов, включает три фазы: твердую, жидкую и газообразную (слайд 15.14). 

Основное место обитания микроорганизмов – твердая фаза, содержащая запасы питательных веществ. До 90% микроорганизмов находится в адсорбированном состоянии на поверхности почвенных частиц. Адсорбция клеток повышает устойчивость микроорганизмов к воздействию неблагоприятных факторов, предотвращает их вымывание, способствует сохранению постоянства процессов круговорота веществ в почве.

Жидкая фаза – почвенный раствор – образует вокруг почвенных частиц водные пленки, содержащие минеральные, органо-минеральные и органические вещества. Соотношение их неодинаково в почвах различных типов, меняется по горизонтам и по сезонам года. 

Газообразная фаза – это воздух почвенных пор, не заполненных водой. Поры составляют 25-70% объема почвы. Состав почвенного воздуха отличается от атмосферного тем, что содержит в 10-100 раз больше углекислого газа и значительно меньше кислорода (в 2-4 раза). Содержание воздуха в почве зависит от ее влажности: газ и вода в почве – антагонисты. 

Плотность микробного населения определяется, прежде всего, органическими веществами. Так, в 1 г чернозема содержится до 3 млрд. клеток микроорганизмов: в более бедных органическими веществами подзолистых почвах – от 300 млн. до 2 млрд., в песках пустыни Сахары, где влияет и низкая влажность среды, – около 1 млн.

Из внешних факторов, существенно влияющих на развитие микроорганизмов в почве, основным является температура (слайд 15.15). Лучше всего почвенные микроорганизмы развиваются при температуре 15-25 °С, но могут встречаться термофильные (оптимум 50 °С) и криофильные, развивающиеся при температуре, близкой к 0 °С. Микроорганизмы обитают главным образом в самом верхнем, или перегнойном, горизонте почвенного профиля, отличающегося большой амплитудой колебаний температур, зависящей от времени года, характера местности и даже от времени суток, от температуры воздуха, поэтому почвенные микроорганизм обладают большой пластичностью в отношении температур.

Почвы различаются по содержанию воды: слишком сухие и слишком влажные ограничивают рост и развитие микроорганизмов. Оптимальной для большинства микроорганизмов является влажность, равная 50-60% максимальной влагоемкости.   

Засоленные почвы беднее микроорганизмами, однако, некоторые грибы родов Aspergillus, Penicillium хорошо развиваются на субстратах с 2030% NaCl, некоторые почвенные микроорганизмы развиваются при высоких концентрациях минеральных солей (осмофильные).

Почвенные микроорганизмы очень чувствительны к изменениям рН, грибы лучше растут в кислой среде, а бактерии – в нейтральной или слегка щелочной. Изменение рН почвы вызывает изменения в популяциях почвенных микроорганизмов.

Почвенные микроорганизмы неодинаково распространены по горизонтам почвы. Наибольшее количество микроорганизмов обитает в верхнем 10-сантиметровом слое почвы. Чем глубже расположен горизонт почвы, тем меньше в нем микроорганизмов (слайд 15.16).

На распределение микроорганизмов в почве влияют корни растений, выделяющие во внешнюю среду органические вещества. На поверхности корней в прикорневой зоне сосредоточено большое количество микроорганизмов.

Из микробиологических процессов, происходящих в почве, наибольшее значение имеют минерализация растительных и животных остатков, образование гумуса и его разложение. В растительном опаде содержатся сахара, аминокислоты, белки, которые быстро потребляются микроорганизмами, Минерализация нерастворимых в воде соединений (целлюлозы, гемицеллюлозы) идет медленно, с участием немногих видов, прежде всего грибов. Лигнин – главный исходный продует для образования гумуса – является наиболее устойчивым соединением и разлагается микроорганизмами очень медленно – месяцы и годы.

Почвенные микроорганизмы условно подразделяются на несколько групп. Микроорганизмы, разлагающие свежий растительный опад, С.Н.Виноградский назвал зимогенной микрофлорой (слайд 15.17). К зимогенным представителям принадлежат многие вездесущие почвенные бактерии (Bacillus, Pseudomonas и др.). Если в почве мало легкоразлагаемых питательных веществ, зимогенные микроорганизмы переходят в покоящуюся форму или погибают.

Автохтонные микроорганизмы постоянно живут в почве, и их численность не зависит от поступления легкодоступных питательных веществ. Характерный представитель этой группы – бактерии рода Arthrobacter. Автохтонные микроорганизмы принимают активное участие в синтезе гумуса и его распаде.

К автохтонным обитателям экосистем относятся обычно высокоспециализированные организмы, такие как нитрифицирующие, или олиготрофные бактерии (Microcyctis, Hyphomicrobium, Agrobacter,

Caulobacter и др.). 

В разных типах почв соотношение групп бактерий неодинаково, изменяется и видовой состав представителей различных групп. Количественные показатели содержания микроорганизмов зависят от метода исследования.

 

Загрязнение почвы

 

Почва подвергается колоссальному антропогенному воздействию, поступающие в почву загрязнители оказывают неблагоприятное воздействие на свойства почвы, ее плодородие, урожайность возделываемых культур. Однако и сама почва может служить местом очистки различного рода загрязнений; ее самоочищение в значительной степени зависит от деятельности почвенных микроорганизмов (слайд 15.18).

Большую угрозу для почвы представляют загрязнения нефтью, пестицидами, тяжелыми металлами. В результате перегрузки могут происходить значительные нарушения процессов самоочищения. Ингибирующее действие тяжелых металлов показано для протекания таких микробиологических процессов, как дыхание почвы, разложение целлюлозы, азотфиксацию, процессы аммонификации и нитрификации.

В почвах загрязненных углеводородами нефти выявлены представители родов бактерий Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhodococcus и аспорогенных дрожжей родов Candida, Cryptococcus, Rhodotorula, Rhodosporidium, Sporobolomyces, Torulopsis, Trichosporon. В последнее время предлагается использование методов генной инженерии для создания высокоактивных культур углеводородокисляющих микроорганизмов (слайд 15.19). 

К деградации пестицидов способны микроорганизмы различных таксономических групп. Это бактерии родов Arthrobacter, Corynebacterium, Bacterium, Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas, актиномицеты рода Nocardia, грибы родов Trichoderma, Penicillium, Chaetomium, Fusarium, Phaseolis, Stachybotrys. 

На основе комменсализма и в условиях кометаболизма, или соокисления, может происходить полная минерализация пестицидов в природе.

 

Микрофлора воздуха

 

Воздух не является местом обитания микроорганизмов, но служит местом их повсеместного распространения: там, куда поступает воздух, могут быть и микроорганизмы. Обилие солнечных лучей приводит к их массовой гибели, а отсутствие источников питания исключает возможность размножения. Однако в атмосфере всегда содержится определенное количество жизнеспособных клеток. Повсеместное распространение микроорганизмов воздушными потоками составляет часть так называемой микробиологии атмосферы. Фактор географической изоляции, столь важный для животных и растений, для бактерий и грибов практически не имеет значения.

Количество микроорганизмов в воздухе уменьшается по мере удаления от поверхности земли. Верхняя граница жизни пока не установлена.

Видовой состав микрофлоры атмосферы носит случайный характер и потому сильно колеблется. Среди микроорганизмов преобладают пигментные формы (Streptococcus, Sarcina) и дрожжи, которые более устойчивы (за счет наличия каротиноидов) к УФ-лучам, а также споры бактерий и грибов (слайд 15.20).

Очень богат микроорганизмами воздух закрытых помещений, особенно таких, где неизбежно массовое скопление людей, сопровождающееся поднятием пыли.

В воздухе жилых помещений, поликлиник и больниц обнаруживаются в значительном количестве болезнетворные микроорганизмы, которые неустойчивы к действию света и высушиванию, поэтому большинство из них гибнет. Однако туберкулезные палочки, патогенные стрептококки и стафилококки хорошо переносят высушивание, в связи с этим воздух может быть источником инфекционных заболеваний.

 

Загрязнение атмосферы

 

Изменения состава воздуха, отмечаемые на больших пространствах, не всегда вызваны действиями человека, они могут быть результатом биологических процессов в местах, не затронутых антропогенным влиянием. Так, например, над огромными площадями, занятыми хвойными лесами, происходит скопление терпенов и изопренов, над болотами скапливается метан, над очагами гнилостных процессов H₂S и NH₃; вулканы выбрасывают весьма существенные количества SO₂, Н₂, СО и H₂S. То же можно сказать о пыли и аэрозолях, состоящих из спор, пыльцы, органических и минеральных частиц, поднимаемых пыльными или песчаными бурями, а также поставляемых выбросами вулканического происхождения. Так что провести четкую грань между антропогенным и природным загрязнением воздуха не представляется возможным. Однако, загрязнение атмосферы веществами, которые до индустриализации вовсе отсутствовали или имелись лишь в весьма незначительных количествах, за последние десятилетия приняло угрожающие размеры. В результате воздействия ряда веществ появляются заболевания: аллергические, генетические, респираторные.

Загрязнение атмосферы – это в первую очередь локальная проблема, но вещества, поступающие из локального источника, рассеиваются в атмосфере и постепенно удаляются под воздействием разного рода стоков (слайд 15.21).  

Набор веществ, загрязняющих воздух, очень широк. Органические загрязнения представлены в первую очередь широким набором углеводородов, в том числе канцерогенных. В их окислении активно участвуют микроорганизмы. Газообразные неорганические вещества – SO₂, H₂S, NO₂, Сl₂, СО, SiF₄; радионуклиды, а также сажа, токсичная пыль, обогащенная оксидами металлов, свинцом, мышьяком. Для некоторых из этих веществ установлены предельно допустимые концентрации (ПДК).

Важнейшим природным компонентом, обеспечивающим удаление СО из атмосферы, считается почва с присутствующими в ней

карбоксидобактериями. Активным является верхний хорошо аэрируемый слой почвы 10-15 см.

Таким образом, почти все перечисленные газы образуются при различных технических процессах и изучение их распределения в атмосфере, путей удаления представляет обширную область знаний. Вместе с тем, при глобальных расчетах техногенная продукция составляет лишь более или менее значительную часть от природной продукции. Лучшее понимание микробных механизмов удаления загрязнений поможет уменьшить психологическое воздействие проблемы на общественное мнение.

 

Внешней среды

 

Одной из важнейших особенностей санитарно-микробиологического подхода к оценке объектов внешней среды (воды, почвы, воздуха) является совместный учет качественных и количественных показателей. Когда санитарному микробиологу приходится судить о потенциальной опасности какого-либо объекта для здоровья людей, количественная оценка его микрофлоры оказывается столь же важной, как и качественная (слайд

15.22).

Общее микробное число (ОМЧ) – количество микроорганизмов в определенном объеме исследуемого субстрата. При этом исходят из предположения о том, что вероятность проникновения в объект потенциально опасной микрофлоры будет тем выше, чем большими окажутся величины ОМЧ. Этот показатель имеет определенную сравнительную ценность и поэтому широко используется в санитарномикробиологической практике. Определяется при высеве разведений методом Коха или микроскопическими методами.

Анализ микрофлоры воды. При санитарно-микробиологических исследованиях воды определяют ОМЧ в 1 мл воды и количество санитарнопоказательных микроорганизмов (E. coli) – коли-титр или коли-индекс. Колититр – наименьший объем воды в миллилитрах, содержащий одну кишечную палочку; коли-индекс – число кишечных палочек в 1 л воды (слайд 15.23). 

При специальном санитарно-микробиологическом исследовании воды также учитываются патогенные микроорганизмы: возбудителей дизентерии, брюшного тифа, паратифа А, Б и холеры.

В соответствии с ГОСТ 2874-82 общее микробное число не должно превышать 100 клеток в 1 мл. Вода, содержащая от 100 до 500 клеток в 1 мл, считается сомнительной, а выше 500 клеток – непригодной для питья. Колииндекс не более 3 клеток в 1 л, а коли-титр – не менее 300 мл.

Анализ микрофлоры почвы. Бактериологическое исследование включает: определение ОМЧ, количества микроорганизмов различных

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Микроорганизмы уже в течение тысячелетий используются человеком в разнообразных процессах. Долгое время микробиология оставалась описательной наукой, развитие ее прикладных направлений в основном базировалось на методе проб и ошибок, а не на рациональном подходе, обеспеченном глубоким знанием механизмов соответствующих процессов. В настоящее время известно огромное число микроорганизмов и их список постоянно пополняется. Новая эра началась с развитием молекулярногенетических методов. С 1976 г. в практику исследований вошло определение нуклеотидных последовательностей ДНК. Первым был расшифрован геном Haemophilus influenzae, к настоящему времени известны геномы нескольких бактерий: Bacillus subtilis, Escherichia coli, Helicobacter pylori, Staphylococcus aureus и др. Текущие проекты – расшифровка геномов Aquifex thermophilus, Borrelia burgdorferi, Clostridium beijerinckii, Deinococcus radiodurans, Methanobacterium thermoautotrophicum, Mycobacterium leprae, Mycobacterium tuberculosis, Synechococcus sp., Thermotoga maritima и др. Выбор этих организмов объясняется их ролью в экологии, промышленности и медицине. 

В перспективе можно ожидать, что изучение каждого нового микроорганизма будет начинаться с расшифровки его нуклеотидной последовательности. Полученные данные обеспечат качественный скачок в развитии микробиологии, особенно ее прикладной части, связанной с созданием генетически модифицированных организмов (ГМО). С их помощью можно решать такие задачи, как биодеградация загрязнений, повышения урожайности сельскохозяйственных культур, получение промышленных штаммов-сверхпродуцентов важных биологически активных веществ и т. д. 

Однако в связи с генной технологией неизбежно будут вставать вопросы в области этики, экономики, законодательства и экологической безопасности из-за возможного влияния ГМО на живые организмы. Поиск ответов на эти вопросы – дело не только нашего ближайшего будущего, но и многих последующих поколений.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. АЛЕШУКИНА Анна     Валентиновна. Медицинская

микробиология: учебное пособие / Анна Валентиновна Алешукина. - Ростовна-Дону: Феникс, 2003. - 473 с.

2. ВОРОБЬЕВ Анатолий Андреевич. Медицинская и санитарная микробиология: учебное пособие по микробиологии, вирусологии, иммунологии для студентов медицинских вузов: рекомендовано Учебнометодическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России / Анатолий Андреевич Воробьев, Юрий Семенович Кривошеин и Владимир Павлович Широбоков. - Москва :

Академия [Academia], 2003 . - 462 с.

3. ГОТТШАЛК Герхард. Метаболизм бактерий = Bacterial Metabolism: пе-ревод с английского / Герхард Готтшалк. - Москва: Мир,

1982. - 310 с.

4. ГРОМОВ Борис Васильевич. Строение бактерий: учебное пособие / Бо-рис Васильевич Громов; кол. авт. Ленинградский университет им. А.А. Жданова [ЛГУ]. - Ленинград: Ленинградский университет [ЛГУ],

1985 . - 192 с.

5. ГУСЕВ Михаил Викторович. Микробиология: учебник для вузов по направлению 510600 "Биология" и биологическим специальностям: рекомендовано Министерством образования РФ / Михаил Викторович Гусев и Людмила Анатольевна Минеева. - 4-е изд., стер. - Москва: Академия [Academia], 2003. - 462 с.

6. ГУСЕВ Михаил Викторович. Микробиология [Электронный ресурс]: рекомендовано Комитетом по высшей школе Миннауки России в качестве учебника для студентов биологических специальностей университетов / Михаил Викторович Гусев и Людмила Анатольевна Минеева . - 3-е изд., - Москва: Московский университет им. М.В. Ломоносова [МГУ], 1992-2001. Формат: HTML, 300 стр. 2001 г.

http://evolution.powernet.ru/library/micro/

http://www.medbook.net.ru/010512.shtml

7. ЗАВАРЗИН Георгий Александрович. Лекции по природоведческой микробиологии / Георгий Александрович Заварзин; отв.ред. Наталья Нико-лаевна Колотилова; кол.авт. Российская академия наук [РАН]. Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского. - Москва: Наука, 2003 . - 348 с.

8. Мир растений: в 7-ти томах / Коллект. автор, гл.ред. Тахтаджян, А. Л.; - 2-е изд.,перераб. - Москва: Просвещение. - Т 2. Грибы / под ред. М. В. Горленко, 1991. - 475 с.

9. Общая микробиология: учебное пособие для биологических факульте-тов университетов: допущено Министерством высшего и среднего спе-циального образования СССР / Лариса Георгиевна Бранцевич, Ирина

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

 

 

Александровна Василевская и Лия Николаевна Лысенко; под ред. Апполинарий Ефимович Вершигора. - Киев: Выща школа, 1988 . - 342 с. 

10. Определитель бактерий Берджи = Bergey's Manual of

Determinative Bacteriology: в 2 т. / Коллект. автор; под ред. Хоулт, Джор Г. (биология); под ред. Криг, Н.; под ред. Снит, П.; под ред. Стейли, Дж., под ред. Уилльямс, С. - Москва: Мир, 1997.

11. ПОЗДЕЕВ О. К.. Медицинская микробиология: учебник для медицинских вузов: рекомендовано УМО по медицинскому и фармацевтическому образованию РФ / О. К. Поздеев; под ред. Валентин Иванович Покровский. - Москва: Гэотар-Медиа, 2002 . - 765 с.

12. ПРУДНИКОВА Светлана Владиславна. Микробиология. Руководство для работ по малому практикуму: учебное пособие для студентов биоло-гических специальностей: рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования / Светлана Владиславна Прудникова, Валентина Мартыновна Гука-сян и Наталья Ивановна Сарматова; кол.авт. Краснояский университет [КрасГУ]. Биологический факультет. - Красноярск: Красноярский университет [КрасГУ], 2004. - 103 с. 

13. Современная микробиология: Прокариоты: в 2-х томах: Т. 1. Пер. с англ./Коллект. автор.; под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. – М.: Мир, 2005. – 656 с. 

14. Современная микробиология: Прокариоты: в 2-х томах: Т. 2. Пер. с англ./ Коллект. автор.; под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. – М.: Мир, 2005. – 496 с. 

15. ШЛЕГЕЛЬ Ганс Гюнтер. Общая микробиология = Allgemeine Mikrobiologie: Перевод с немецкого / Ганс Гюнтер Шлегель. - Москва: Мир, 1987 . - 566 с.

16. ШЛЕГЕЛЬ Ганс Гюнтер. История микробиологии = Geschichte der Mikrobiologie: перевод с немецкого / Ганс Гюнтер Шлегель. - Москва: УРСС, 2002. - 302 с. 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Микробиология – это один из разделов биологии, изучающий наиболее мелких представителей живого мира. Ее формирование как науки происходило в течение нескольких веков, и долгое время продолжалось эмпирическим путем. В настоящее время микробиология имеет несколько отраслей и направлений развития, самые перспективные из которых связаны с молекулярными и генетическими методами.

В основу данного курса лекций положены классические учебники по общей микробиологии отечественных (М. В. Гусев, Л. А. Минеева) и зарубежных (Г. Г. Шлегель, Г. Готтшалк) авторов. В курсе лекций «Микробиология с основами вирусологии» рассматриваются следующие разделы:

– становление и развитие; где описывается возникновение микробиологии, формирование ее отраслей, а также вклад отечественных ученых в развитие микробиологии в нашей стране.

– морфология и функциональная структура прокариотической

клетки; 

– разнообразие и систематика микроорганизмов; где большое внимание уделяется многообразию представителей микробного мира: бактерий и грибов, а также неклеточных форм – вирусов, вироидов и прионов

– рост микроорганизмов и их культивирование; где подчеркивается многообразие способов существования прокариот, по сравнению с эукариотическими организмами, и описываются некоторые традиционные методы культивирования микроорганизмов;

– энергетические и конструктивные процессы, протекающие в бактериальных клетках; в том числе основные пути получения энергии – брожение, дыхание и фотосинтез, а также некоторые биосинтетические пути, ведущие к построению основных углерод- и азотсодержащих соединений клетки;

– экологическая роль микроорганизмов в биосфере, в том числе их значение в почвенных, водных и воздушных экосистемах, а также в процессах поддержания гомеостаза окружающей среды.

Курс состоит из 15 лекций, рассчитан на 36 часов, предназначен для студентов биологических специальностей вузов.

 

ЛЕКЦИЯ №1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ

МИКРОБИОЛОГИИ

 

1.1. Открытие микроорганизмов

1.2. Развитие представлений о природе процессов брожения и гниения

1.3. Научная деятельность Л. Пастера

1.4. Развитие микробиологии в XIX веке

1.5. Микробиология в XX веке

1.6. Направления микробиологии (слайд 1.3)

 

1.1. Открытие микроорганизмов

 

Микробиология – наука о микроорганизмах. Объектом изучения микробиологии являются микроорганизмы – организмы, имеющие размеры в пределах 0,1 мм. К ним относятся простейшие, одноклеточные водоросли, микроскопические грибы, бактерии, вирусы (слайд 1.4). Микроорганизмы распространены в природе повсеместно. Благодаря мелким размерам, их количество в 1 г вещества может составлять миллионы и миллиарды клеток.

На протяжении длительного времени человек жил в окружении микроорганизмов, не подозревая об их присутствии. Размеры этих микросуществ лежали ниже предела видимости, на который способен человеческий глаз. Первые оптические приборы появились очень давно: в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы из горного хрусталя.

Можно считать, что с их изобретением человек сделал первый шаг на пути в микромир.

Дальнейшее совершенствование оптической техники относится к XVI– XVII вв. и связано с развитием астрономии. Микроскоп был создан в 1610 г. Г. Галилеем (1564-1642) (слайд 1.5). Изобретение микроскопа открыло новые возможности для изучения живой природы. Р. Гук (слайд 1.6) (1635-1703) обнаружил ячеистое строение древесной ткани и ввел термин «клетка» («Микрография», 1665). Дальнейшие этапы изучения микромира связаны с совершенствованием оптических приборов.

А. ван Левенгук (1632-1723) – голландский мануфактурщик, первый человек, увидевший микроорганизмы (слайд 1.7). В 1676 г. ему впервые удалось увидеть бактерии в капле воды. Результаты своих наблюдений он посылал в Лондонское Королевское общество, членом которого впоследствии был избран. 

В то время ученых волновали три основные проблемы: природа процессов брожения и гниения, причины возникновения инфекционных болезней и проблема самозарождения организмов. Именно они послужили стимулом для исследований, приведших к возникновению микробиологии.