Микрообиология

1. Регуляция клеточного метаболизма у прокариот

В прокариотной клетке почти все процессы регулируются. Одна и та же реакция может одновременно подвергаться нескольким видам регуляторного воздействия, неравноценным по направлению и силе действия. Следствием этого является строгая координация активности отдельных метаболических процессов, приводящая к тому, что любой организм в норме представляет собой хорошо отлаженное устройство с системой развитых регуляторных связей. Эффективность клет.регулят. механизмов очень высока. Они обеспечивают максиамльноэкономическое использование питательных веществ среды, предупреждают избыточный синтез промежуточных и конечных метаболитов, отвечают за быструю адаптацию к изменившимся условиям. Регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций. Скорость последних регулируется: путем изменения количества ферментов и/или изменения их активности.

Регуляция активности ферментов (Р.А.Ф.)

Факторы РАФ делятся на физические (темпер., давление, свет, магнит. поле, электр. импульсы)оказывают меньшее действие, чем химические. Одни хим. вещ-ва связываются сактивным ценром фермента (субстраты, кофакторы, конкуретные ингебиторы), что приводит к изменению ферментативной активности. Другие вещества взаимодействуют со специальными участками на поверхности молекулы определенного типа фермента, не имеющими непосредственного отношения к центрам каталитической активности, но приводящими к ее изменению. Р.А.Ф. происходит путем химической модификации их молекулы, в основе которой лежит ковалентное обратимое связывание с ферментом определенной группировки, что приводит к изменению его активности. Наиболее быстрым и тонким механизмом Р.А.Ф. является регуляция, которой подвергается определенный тип ферментов, получивших название аллостерических. Наиболее простой случай аллостерической регуляции - регуляция первого фермента неразветвленного биосинтетического пути его конечным продуктом. Некоторые аллостеричекие ферменты существуют в виде нескольких молекулярных форм (изоферментов).

Регуляция синтеза ферментов.

Регулирование конечным продуктом активности аллостерического фермента определенного биосинтетического пути обеспечивает мгновенную реакцию, приводящую к изменению выхода этого продукта. Если последний оказывается ненужным, отпадает надобность и в ферментах, участвующих в его синтезе. Очевидна нужность синтеза только тех ферментов, которые необходимы в конкретных условиях. У прокариот в одних условиях фермент может содержаться в количестве не более 1-2 молекул, в других - составлять несколько процентов от клеточной массы. Количество определенного фермента в клетке может регулироваться на нескольких уровнях: на этапе транскрипции, трансляции, в процессе сборки и разрушения ферментативного белка. Специфические химические сигналы могут инициировать или блокировать транскрипцию определенного участка ДНК в иРНК. Регуляция синтеза ферментов на этапе транскрипции основана на том, что «считывание» бактериальных генов происходит избирательно и скорость образования копий соответствующих иРНК находится под сложным контрольным механизмом. Ферменты, синтез которых в растущей клетке происходит с постоянной скоростью в результате постоянного транскрибирования соответствующих генов, они присутствуют в клетке в более или менее постоянной концентрации, называются конститутивными. К ним относят, например гликолитические ферменты. Метаболические пути, функционирующие с участием конститутивных ферментов, контролируются посредством других регуляторных воздействий, аллостерического ингибипования.

2. Роль микроорганизмов в круговороте азота в природе. Азотное питание прокариот с различными типами жизни

Он складывается из трех основных процессов: 1)фиксация азота атмосферы; 2)нитрификация-окисление азота; 3) денитрификация(гниение) - восстановление азота. Азот атмосферы фиксируют только свободноживущие азотофиксаторы (азотобактер) и микробы-симбионты - клубеньковые бактерии.N₂=H₂N=H₃N Они имеют ферменты, обладающие способностью связывать свободный азот с другими химическими элементами. Эти микроорганизмы синтезируют сложные органические соединения. Значение: обогащают почву связанным азотом и способствуют ее плодородию. Аммонификация, или гниение, - процесс разложения белков на менее сложные соединения: пептоны, пептиды, аминокислоты. Процессы нитрификации, или окисления, аммиака в нитриты, а затем в нитраты осуществляют почвенные бактерии, в результате растения получают питательные вещества. Сначала бактерии (нитрозомонас) окисляют аммиак в азотистую кислоту, получая при этом энергию, необходимую для своей жизни. (NH₂+1,5O₂=NO₂+H₂O+2H) На втором этапе нитратные бактерии(нитробактер) окисляют азотистую кислоту в азотную. (NO₂+О₂ = NO₃). Процессы дентрофиксации иду при наличии в почве денитрофиксирующих бактерий, которые восстанавливают нитраты до молекудярного азота. NO_{3 =} NO₂ = NO = N₂.Эти процессы протекают на глубине 10-15см в почве в анаэробных условиях и ведут к понижению плодородия почвы, уменьшая в ней запасы нитритов. Бактерии, осуществляющие круговорот азота в природе могут быть либо симбионтами, либо свободноживущими.

3. Роль микроорганизмов в круговороте водорода. Водородные бактерии, особенности их метаболизма, роль в природе и практическое значение

К водородным бактериям относятся эубактерии, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О₂, а все вещества клетки строить из углерода СО₂. Водородные бактерии - хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н₂ в аэробных условиях. Н₂ +1/5О₂=Н₂О. Помимо окисления для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. На 5 молекул Н2, окисленного в процессе дыхания приходится 1 молекула Н₂, затраченная на образование биомассы. 6 Н₂+2О₂+СО₂=СН₂О +5Н₂О. Молекулярный водород - наиболее распространенный неорганический субстрат, используемый бактериями для получения энергии в процессе окисления. К водородным бактериям относятся представители 20 родов, объединяющие грамположительные и грамотрицательные формы разной морфологии, подвижные и неподвижные, образующие спор и бесспоровые, размножающиеся делением и почкованием.(род Hydrogenobacter). Из всех хемолитоавтотрофных эубактерий только водородные бактерии с помощью определенной формы гидрогеназы могут осуществлять непосредственное восстановление НАД⁺ окислением неорганического субстрата. К образованию молекулярного водорода приводят разные процессы, в том числе и биологические. Активными продуцентами Н₂ являются эубактерии. Также активно осуществляется и потребление Н₂

Важная роль в этом принадлежит водородным бактериям. В последнее время водородные бактерии привлекают к себе внимание возможностью практического использования: для получения кормового белка, а также ряда органических соединений (кислоты, аминокислоты, витамины, ферменты).

4. Роль микроорганизмов в круговороте кислорода

Молекулярный кислород микроорганизмы используют в процессе дыхания и окисления неорганических веществ. Выделяют кислород в атмосферу некоторые фотосинтезирующие бактерии (цианобактерии и прохролофиты). По мере накопления кислород становится постоянным компонентом внешней среды, и только локально могут быть созданы такие условия, где он отсутствует или содержится в малых количествах. Это обусловило два возможных варианта взаимодействия прокариот с молекулярным кислородом. Одни из существовавших анаэробных форм «ушли» в места обитания, где кислород практически отсутствует, и тем самым сохранили «облик бескислородной эпохи». Другие были вынуждены пойти по пути приспособления к «кислородным» условиям. Это означает, что они формировали новые метаболические реакции, служащие в первую очередь для нейтрализации отрицательного действия молекулярного кислорода.

Типы жизни прокариот, основанные на окислительном фосфолировании.

Группы хемолитотрофных эубактерий: эубактерии, окисляющие соединения серы; железобактерии; нитрифицирующие бактерии; водородные бактерии; карбоксидобактерии; эубактерии, восстанавливающие сульфаты. Группы хемоорганотрофных бактерий: метилотрофы; уксуснокислые бактерии; аммонифицирующие бактерии; бактерии, разрушающие целлюлозу; денитрифицирующие бактерии.

5. Роль микроорганизмов в круговороте серы в природе, их значение превращения веществ и практическое использование

Круговорот серы осуществляется в результате жизнедеятельности бактерий, окисляющих или восстанавливающих ее. Процессы восстановления серы происходят несколькими путями. Под влиянием гнилостных бактерий - клостридий, протея в анаэробных условиях при гниении белков, содержащих серу, происходит образование сероводорода и, реже, меркаптана. Большие количества сероводорода накапливается также в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий. Они восстанавливают сульфаты почвы, ила и воды. Сероводород, образовавшийся в процессе восстановления частично, улетучивается в атмосферу, а частично накапливаются в почве и воде. В дальнейшем он окисляется. Процессы окисления сероводорода совершаются при участии серобактерий и тиобацилл. Серобактерии используют сероводород в биоэнергетических процессах окисления, обеспечивая себя энергией. В результате этих процессов сероводород окисляется до серы, которая накапливается в цитоплазме бактерий, которая накапливается в цитоплазме бактерий. После того, как запасы сероводорода во внешней среде исчерпаны, сера окисляется до серной кислоты и сульфатов, используемых растениями. Тиобациллы окисляют серу, сероводород, гипосульфит. Они накапливают серу внутри клетки и вне ее, иногда окисляют серу до сульфатов. Среди тиобацилл встречаются аутотрофы и гетеротрофы. Практическое использование: бактерии, в процессе окисления серы образуют используемые растениями сульфаты, бактерии гниения разлагают останки животных.

6. Роль микроорганизмов в круговороте углерода в природе

Круговорот углерода складывается из двух взаимосвязанных процессов: 1) потребление углекислоты атмосферного воздуха аутотрофными микробами; 2) возвращения, пополнения запасов углекислоты в атмосфере. Потребление СО₂ совершается фотосинтезирующими микроорганизмами. При фотосинтезе образуются различные органические соединения. Основная масса углерода отлагается в растениях в форме различных сахаров (глюкоза, фруктоза, крахмал и др.). Образовавшиеся органические соединения используются человек и животными для питания, а после их гибели органические вещества переходят в почву. Возвращение углекислоты происходит микроорганизмами почвы и воды. Большое количество углекислоты поступает обратно в атмосферу при минерализации органических остатков растений и животных почвенными бактериями и грибами. Главными субстратами процессов минерализации в природе являются сахара в форме полимеров. Использование глюкозы в качестве основного энергетического материала при процессах биологического окисления (брожение, дыхание) приводит к высвобождению углекислоты. Дополнительный цикл круговорота углерода обусловлен анаэробными почвенными микроорганизмами. Одни из них (метанобактерии) в условиях влажных почв восстанавливают СО₂ в метан (СН₄). Другие, наоборот, окисляют метан в углекислоту.

Углеродное питание прокариот с различными типами жизни.

В зависимости от источника углерода все прокариоты делятся на две группы: автотрофы (синтезируют все необходимые компоненты из углекислоты) и гетеротрофы (источником углерода служат органические соединения). Последние делятся на паразитов (живут за счет других живых клеток) и сапрофиты (нуждаются в готовых органических веществах, но от других организмов не зависят.

7. Роль микроорганизмов в круговороте фосфора

Круговорот фосфора несколько отличается от круговорота остальных элементов. Освобождение фосфора из органических соединений происходит в результате процессов гниения. Однако, до сих пор не обнаружены микроорганизмы, которые могли бы осуществлять процессы окисления и восстановления фосфора. Фосфорные бактерии, находящиеся в почве и воде, используют для своей жизнедеятельности нерастворимые соединения фосфора, переводя их в растворимые. Эти соединения потом могут быть использованы растениями. Переходу нерастворимых соединений фосфора в растворимые способствуют также нитрифицирующие и серные бактерии, образующие кислоты при процессах брожения.

Различные типы жизни бактерий, основанные на использовании соединений фосфора.

Брожение (молочнокислое, спиртовое, пропионовокислое, маслянокислое); фотосинтез; дыхание.

8. Современная классификация бактерий. Морфологическая, физиологическая и экологическая характеристика четырех категорий бактерий

В 19веке впервые было предложена классификация на грамположительные и грамотрицательные бактерии. Классификация Берджи: 35 групп бактерий, их он разделил на 4 категории по внешним признакам:

1.Грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточную стенку. (с 1-16 группы). Имеют сложное строение клеточной стенки, большинство размножается бинарным делением.

2. Грамположительные эубактерии, имеющие клеточную стенку (с 17-29).

3. Эубактерии, лишенные клеточной стенки (30 группа). Микоплазмы.

4. Архебактерии (31 -35). Наиболее древние представители бактерий.

9. Роль микроорганизмов в эволюции жизни на Земле

Согласно современным представлениям жизнь есть результат эволюции материи. Взгляды на происхождение жизни, ее развитие и сущность имеет длинную историю, но обсуждение этих вопросов до недавнего времени было предметом философских размышлений. Опарин и Холдейн выдвинули предположение, что жизнь возникла в результате взаимодействия органических соединений, образовавшихся в бескислородных условиях на первобытной Земле, согласно этой гипотезе, биологический синтез органических веществ происходит только на современном этапе существования Земли. На первобытной, безжизненной Земле могли происходить химические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. В результате этой эволюции имело место постепенное усложнение органических соединений, формирование из них пространственно обособленных систем и превращение последних в предшественников жизни.

Благодаря цианобактериям появился в атмосфере Земли молекулярный кислород. Однако, в начале весь выделяемый ими О₂ поглощался земной корой, в которой происходили процессы окисления.

Проблема происхождения и развития первичной клетки по данным палеонтологии.

В находках, сделанных в Южной Африке в осадочных породах, возраст которых ок.3,5 млрд. лет, найдены заключенные в них окаменелые остатки палочковидных структур, напоминающих современные бактерии. При электронно-микроскопическом изучении у них выявлена двухслойная клеточная стенка, подобная клет.стенке многих современных бактерий. В породах, возраст которых также ок. 3,5 млрд. лет, обнаружены строматолиты, своеобразные известковые образования, являющиеся продуктами жизнедеятельности цианобактерий. Можно сделать вывод, что впервые земная жизнь возниклам в промежутке между 3,5-4,6 млрд.лет тому назад.

10. Способы существования и типы жизни у прокариот. Фототрофы и хемотрофы, особенности метаболизма у разных групп прокариот

В зависимости от того, какой источник энергии могут использовать прокариоты , их делят на фототрофов (источник энергии-свет) и хемотрофов (источник энергии - окислительно-восстановительные реакции). Организмы, у которых источниками (донорами) электронов в энергетическом процессе являются неорганические вещества предложено называть литотрофными, а те, у которых донорами служат органические соединения - органотрофными.

Тогда в зависимости от источника энергии и природы донора электронов различают: хемолитотрофия, хемоорганотрофия, фотолитотрофия,

фотоорганотрофия. У прокориот с хемотрофным типом энергетического метаболизма одно и то же соединение служит донором электронов, большая часть которых перемещается в соответствии с термодинамическим градиентом, что приводит к выделению свободной энергии, а меньшая используется для образования восстановителя, потребляемого в конструктивном метаболизме. Это положение справедливо для прокариот с энергетикой бродильного и дыхательного типов, при использовании в качестве энергетических ресурсов органические и неорганические соединения. У фототрофов использование света в качестве источника энергии требует дополнительного подключения химических соединений, служащих донорами электронов для образования восстановителя. Каждый тип энергетического метаболизма может осуществляться на базе различных биосинтетических способностей организма. В зависимости от деления прокариот на авто и гетеротрофов существует 8 сочетаний типов энергетического и конструктивного метоаболизма, которые отражают возможности способов существования (питания) прокариот. Большинство прокариот -хемоорганогетеротроф

11. Устройство и оснащение микробиологической лаборатории. Правила работы с культурами микроорганизмов

Микробиологические лаборатории организуются при больницах и санитарно-эпидемиологических станциях (СЭС). Существуют также специальные лаборатории, в которых работают с возбудителями особо опасных инфекций, вирусологические лаборатории и др. Микробиологические лаборатории занимаются бактериологической диагностикой инфекционных заболеваний, исследуя испражнения, мочу, кровь, мокроту больных с целью обнаружения патогенных микроорганизмов - возбудителей заболеваний. В состав лаборатории входят: 1) лабораторные комнаты;2)моечная;

3)препараторская; 4)автоклавная; 5)комната, где производится прием препаратов и выдача результатов исследования. Лабораторных животных, необходимых для постановки биологических проб, содержат в специализированном изолированном помещении- виварии. В лабораторных комнатах находится специальное оборудование: термостат, холодильник, шкафы, центрифуга. На рабочем столе находятся спиртовка или газовая горелка, штативы, бактериологические петли, банка с дезинфицирующим раствором. Успех бактериологического исследования зависит от правильности взятия материала и своевременности его доставки в лабораторию. В зависимости от характера патологического процесса, места максимальной локализации возбудителя и пути его выделения в окружающую среду исследуют мокроту (при заболеваниях органов дыхания), испражнения (при желудочно-кишечных инфекциях), мочу (при поражении почек и мочевыводящих путей), гнойное отделяемое, кровь (при кровяных инфекциях).

12. Форма и размеры микроорганизмов

Диапазон размеров микроорганизмов велик. Самые большие- до 100 - 500мкм (высшие протисты). Самые маленькие 0,1 - 0,15мкм (паразиты). В среднем размеры микроорганизмов - 0,5 - 3мкм. Размеры вирусов - от 16 до 20нм. Клетки прокариот бывают одноклеточными или образуют нити. Формы прокариот: 1.Палочковидные (бацилиум) Bacillum. 2. Шаровидные (кокк), пары клеток - диплококки, цепочки - стрептококки, скопления клеток в виде гроздей - стафилококки. 3. Изогнутые (вибрионы) Vibrio. 4. Спиральные (спирохеты). 5.Кольцевидные. 6.Червеобразные. 7.Звездчатые. 8.Кустовидные. В зависимости от наличия или отсутствия жгутиков: 1.Униполярные. 2.Биполярные.

Строение и функции компонентов прокариотной клетки.

1.Клеточная стенка: защитные фун-и, особый химический состав: гармположительные содержат белок - пептидогликан, у грамотрицательных - сверху дополнительный слой из липополисахаридов.

2.Капсула - производная бактериальной клетки. Состоит из аморфного вещ-ва. Различают макро- и микрокапсулы. Слизистые слои имеют оформленный вид, чехол - тонкая структура. Функция - защитная.

3. Жгутики укрепляются в цитоплазме с помощью базального тельца. Скорость перемещения - 60 мкм/с. Движение с помощью скольжения. Ф-ия: перемещение.

4. Ворсинки. Функция: служат органическим мостиком, через который передается генетическая информация, размножение.

5. Цитоплазматическая мембрана - 3х слойная структура, состоящая из белка и жира. Функция: избирательная проницаемость.

6. Цитоплазма - жидкость, имеющая типы мышечных структур. Ф-и: поддержание тургора клетки, обеспечение обменных процессов. 7.Мезосомы. 8. Газовые вакуоли. 9.Везикулы. 10.Жировые капельки. 11.Тилакоиды (трубчат, пластинчат). 12.Хроматофор. 13. Включения серы. 14.Рибосомы (ф:синтез белка).15. Нуклеоид.

13. Химический состав прокариотной клетки

Клетки прокариот содержат от 70 до 90% воды, основную массу сухих веществ составляют белки, нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды. Неорганические вещества: углерод, азот, сера, фосфор, магний, кальций, калий, железо - макроэлементы. Цинк, марганец, натрий, молибден, медь, ванадий, никель, кобальт - микроэлементы.

Внутриплазматические включения прокариот, их химический состав и функции.

1.Хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий (Ф: фотосинтез). Состоят из белка.

2. Карбоксисомы, или полиэдральные тела (Ф: фиксация СО₂) состоят из частиц рибулозодифосфаткарбоксилазы, окружены мембраной белковой природы.

3. Газовые вакуоли (аэросомы) (Ф: обеспечение плавучести водных организмов, которые с помощью аэросом могут регулировать глубину, выбирая более благоприятные условия). Каждый пузырек окружен белковой мембраной и заполнен газом, состав которого идентичен таковому окружающей среды.

4. Запасные вещества прокариот представлены полисахаридами (гликоген, крахмал и крахмалоподобное вещество - гранулеза), полифосфатами, липидами, полипептидами, отложениями серы, цианофициновыми гранулами. Последние состоят из полипептида, содержащего аргинин и аспарагиновую кислоту.

14. Энергетический метаболизм прокариот. Общая характеристика

Энергетические процессы прокариот по своему объему значительно превосходят биосинтетические процессы, и протекание их приводит к существенным изменениям в окружающей среде. Доступными для живых систем является физическая (свет определенной длины волны) и химическая (восстановленные химические соединения) энергии. Способностью использовать энергию света обладают прокариоты, имеющие фоторецепторные молекулы. Полимерные молекулы расщепляются до мономеров с помощью ферментов, синтезируемых и выделяемых прокариотами в окружающую среду (экзоферменты).

Субстратное фосфолирование.

Субстратное фосфолирование - это брожение. Наиболее примитивным способом получения энергии, присущим определенным группам эубактерий, являются процессы брожения. Брожение характеризует энергетическую сторону способа существования нескольких групп эубактерий, при котором они осуществляют в анаэробных условиях окислительно-восстановительные превращения органических соединений, сопровождающиеся выходом энергии, которую эти организмы используют. Поскольку брожение протекает без участия молекулярного кислорода, все окислительно-восстановительные превращения субстрата происходят за счет его внутренних возможностей. Круг органических соединений, которые могут сбраживаться, довольно широк. Это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины. Различают молочнокислое, спиртовое, пропионовокислое, маслянокислое брожения.

Другие энергетические процессы у прокариот.

Кроме субстратного, фосфолирования встречается фотосинтез (фосфолирование) и дыхание (окислительное фосфолирование).

15. Эукариотные микроорганизмы, их общая характеристика и современная классификация. Роль в природе и практическое значение

К эукариотам относят грибы - обширная и разнообразная группа растительных организмов. Грибы - хемоорганотрофы.

В природе грибы обитают на разнообразных субстратах, в почве, воде и играют важную роль в круговороте веществ в природе. Многие грибы употребляют в пищу, используют в промышленных условиях для получения органических кислот, витаминов, ферментов, антибиотиков. Многочисленные грибы, развивающиеся на пищевых продуктах, промышленных материалах и изделиях вызывают их порчу и разрушения. Некоторые из них способны вырабатывать токсические для человека и животных вещества - микотоксины. Многие грибы поражают культурные растения в процессе ихвегетации, нанося большой урон сельскому хозяйству. Есть грибы, вызывающие заболевания человека и животных. Вегетативное тело большинства грибов представляет собой грибницу, или мицелий, состоящий из ветвящихся нитей - гиф. Такие грибы называются мицелиальными (плесени). Гифы грибов различаются внешним видом, строением стенки, длиной, толщиной и рельефом поверхности. Гифы растут вершиной или концами разветвлений. Некоторые грибы не имеют мицелия. Это представители низших грибов, а также дрожжи.

Все грибы объединены в царство Mуcota, которое подразделено на два отдела: слизевые грибы (Myxomycota) и собственно грибы (Eumycota). Основные классы грибов: хитридиомицеты, оомицеты, зигомицеты, аскомицеты, голосумчатые грибы, плодосуичатые грибы, базидиомицеты, дейтеромицеты (несовершенные грибы).