МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГОУ ВПО «ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ И ЗООТЕХНИИ
Кафедра эпизоотологии, паразитологии и микробиологии
Реферат
Тема: Физиология и генетика микроорганизмов
Выполнил: студент 2 курса ИЛ группы 8217/2
Варламов С.
Проверил: Бондаренко В.В.
Благовещенск 2009 г.
Содержание:
Введение
1. Химический состав
2. Питание, дыхание и размножение
3. Наследственность и генетические рекомбинации у бактерий
Заключение
Список литературы
Введение
Человек использовал бактерии, ещё не зная об их существовании. С помощью
заквасок, содержащих Бактерии, приготовляли кисломолочные продукты,
уксус, тесто и т.д. Впервые бактерии увидел А. Левенгук — создатель
микроскопа, исследуя растительные настои и зубной налёт. К концу 19 —
началу 20 вв. было выделено большое число бактерий, обитающих в почве,
воде, пищевых продуктах и т.п., были открыты многие виды болезнетворных
бактерий. Классические исследования Л. Пастера в области физиологии
бактерии послужили основой для изучения у них обмена веществ. Вклад в
исследование бактерии внесли русские и советские учёные С.Н.
Виноградский, В.Л. Омелянский, Л. Исаченко, выяснившие роль бактерии в
круговороте веществ в природе, который делает возможной жизнь на Земле.
Это направление в микробиологии неразрывно связано с развитием геологии,
биогеохимии, почвоведения, с учением В.И. Вернадского о биосфере.
Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микробных клеток,
процессы их питания, дыхания, роста, размножения, закономерности
взаимодействия с окружающей средой.
Выяснение физиологии этих микроорганизмов важно для постановки
микробиологического диагноза, проведения лечения и профилактики
инфекционных заболеваний, регуляции взаимоотношений животного организма
с окружающей средой.
Генетика (от греческого genesis – происхождение) – наука о
наследственности и изменчивости организмов. Начало генетики как науки
положил Мендель, который, скрещивая между собой сорта гороха с
качественно различающимися признаками, установил главные закономерности
наследственности. Изучение и анализ законов передачи наследственных
признаков от поколения к поколению, а также выяснение механизмов,
обеспечивающих наследования на всех уровнях организации живых существ,
является главной целью генетики. Успехи генетики стали возможны
благодаря совместной работе микробиологов, генетиков, химиков и физиков,
которые в своих исследованиях использовали микроорганизмы. Именно
бактерии и вирусы оказались наиболее простой и удобной моделью для
решения насущных проблем молекулярной генетики.
1. Химический состав
По химическому составу бактерии не отличаются от клеток других
организмов. Бактериальная клетка содержит 80% воды и 20% сухого остатка.
Около 90% сухого остатка бактерии составляют высокомолекулярные
соединения: нуклеиновые кислоты (10%), белки (40%), полисахариды (15%,
пептидогликон (10%) и липиды (15%); остальные 10% приходятся на
моносахара, аминокислоты, азотистые основания, неорганические соли и
другие низкомолекулярные соединения. Вода – основной компонент
бактериальной клетки. Она находится в свободном или связанном состоянии
со структурными элементами клетки. В спорах количество воды уменьшается
до 18—20%. Вода является растворителем для многих веществ, а также
выполняет механическую роль в обеспечении тургора. При плазмолизе —
потере клеткой воды в гипертоническом растворе — происходит отслоение
протоплазмы от клеточной оболочки. Удаление воды из клетки, высушивание
приостанавливают процессы метаболизма. Большинство микроорганизмов
хорошо переносят высушивание. При недостатке воды микроорганизмы не
размножаются. Высушивание в вакууме из замороженного состояния
(лиофилязация) прекращает размножение и способствует длительному
сохранению микробных особей.
Белки (40—80% сухой массы) определяют важнейшие биологические свойства
бактерий и состоят обычно из сочетаний 20 аминокислот. В состав бактерий
входит диаминопимелиновая кислота, отсутствующая в клетках человека и
животных. Бактерии содержат более 2000 различных белков, находящихся в
структурных компонентах и участвующих в процессах метаболизма. Большая
часть белков обладает ферментативной активностью. Белки бактериальной
клетки обусловливают антигенность и иммуногенность, вирулентность,
видовую принадлежность бактерий.
Нуклеиновые кислоты бактерий выполняют функции, аналогичные нуклеиновым
кислотам эукариотических клеток: молекула ДНК в виде хромосомы отвечает
за наследственность, рибонуклеиновые кислоты (информационная, или
матричная, транспортная и рибосомная) участвуют в биосинтезе белка.
Углеводы бактерий представлены простыми веществами (моно- и дисахариды)
и комплексными соединениями. Полисахариды часто входят в состав капсул.
Некоторые внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.)
являются запасными питательными веществами.
Липиды в основном входят в состав цитоплазматической мембраны и ее
производных, а также клеточной стенки бактерий, например наружной
мембраны, где, кроме биомолекулярного слоя липидов, имеется ЛПС. Липиды
могут выполнять в цитоплазме роль запасных питательных веществ. Липиды
бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицеридами.
Наибольшее количество липидов (до 40 %) содержат мвкобактерии
туберкулеза.
Минеральные вещества бактерий обнаруживают в золе после сжигания клеток.
В большом количестве выявляются фосфор, калий, натрий, сера, железо,
кальций, магний, а также микроэлементы (цинк, медь, кобальт, барий,
марганец и др.). Они участвуют в регуляции осмотического давления, рН
среды, окислительно-восстановительного потенциала, активируют ферменты,
входят в состав ферментов, витаминов и структурных компонентов микробной
клетки.
2. Питание, дыхание и размножение бактерий
Питание бактерий
Особенности питания бактериальной клетки состоят в поступлении
питательных субстратов внутрь через всю ее поверхность, а также в
высокой скорости процессов метаболизма и адаптации к меняющимся условиям
окружающей среды.
Типы питания. Широкому распространению бактерий способствует
разнообразие типов питания. Микроорганизмы нуждаются в углеводе, азоте,
сере, фосфоре, калии и других элементах. В зависимости от источников
углерода для питания, бактерии делятся на аутотрофы (от греч. autos –
сам, trophe – пища), использующие для построения своих клеток диоксид
углерода С02 и другие неорганические соединения, и гетеротрофы (от греч.
heteros -другой, trophe – пища), питающиеся за счет готовых органических
соединений. Аутотрофными бактериями являются нитрифицирующие бактерии,
находящиеся в почве; серобактерии, обитающие в воде с сероводородом;
железобактерии, живущие в воде с закисным железом, и др.
Гетеротрофы, утилизирующие органические остатки отмерших организмов в
окружающей среде, называются сапрофитами. Гетеротрофы, вызывающие
заболевания у человека или животных, относят к патогенным и
условно-патогенным. Среди патогенных микроорганизмов встречаются
облигатные и факультативные паразиты (от греч. parasitos — нахлебник).
Облигатные паразиты способны существовать только внутри клетки. например
риккетсии, вирусы и некоторые простейшие. В зависимости от окисляемого
субстрата, называемого донором электронов или водорода, микроорганизмы
делят на две группы. Микроорганизмы, не пользующие в качестве доноров
водорода неорганические соединения, называют лйтотрофнымн (от греч.
lithos — камень), а микроорганизмы, использующие в качестве доноров
водорода органические соединения — органотрофами. Учитывая источник
энергии, среди бактерий различают фототрофы, т. е. фотосинтезирующие
(например, сине-зеленые водоросли, использующие энергию света), и
хемстрофы, нуждающиеся в химических источниках энергии.
Механизмы питания. Поступление различных веществ в бактериальную клетку
зависит от величины и растворимости их молекул в липидах или воде, рН
среды, концентрации веществ, различных факторов проницаемости мембран и
др. Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы и ионы, задерживая
макромолекулы массой более 600 Д. Основным регулятором поступления
веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана. Условно можно
выделить четыре механизма проникновения питательных веществ в
бактериальную клетку: это простая диффузия, облегченная диффузия,
активный транспорт, транслокация групп.
Наиболее простой механизм поступления веществ в клетку – простая
диффузия, при которой перемещение веществ происходит вследствие разницы
их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Вещества
проходят через липидную часть цитоплазматической мембраны (органические
молекулы, лекарственные препараты) и реже по заполненным водой каналам в
цитоплазматической мембране. Пассивная диффузия осуществляется без
затраты энергии.
Облегченная диффузия происходит также в результате разницы концентрации
веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны. Однако этот процесс
осуществляется с помощью молекул-переносчиков, локализующихся в
цитоплазматической мембране и обладающих специфичностью. Каждый
переносчик транспортирует через мембрану соответствующее вещество или
передает другому компоненту цитоплазматической мембраны – собственно
переносчику. Белками-переносчиками могут быть пермеазы, место синтеза
которых -цитоплазматическая мембрана.
Облегченная диффузия протекает без затраты энергии, вещества
перемещаются от более высокой концентрации к более низкой.
Активный транспорт происходит с помощью пермеаз и направлен на перенос
веществ от меньшей концентрации в сторону большей, т.е. как бы против
течения, поэтому данный процесс сопровождается затратой метаболической
энергии (АТФ), образующейся в результате окислительно-восстановительных
реакций в клетке.
Перенос (транслокация) групп сходен с активным транспортом, отличаясь
тем, что переносимая молекула видоизменяется в процессе переноса,
например фосфорилируется.
Выход веществ из клетки осуществляется за счет диффузии и при участии
транспортных систем.
Ферменты бактерий. Ферменты распознают соответствующие им метаболиты
(субстраты Х вступают с ними во взаимодействие и ускоряют химические
реакции. Ферменты являются белками, участвуют в процессах анаболизма
(синтеза) и катаболизма (распада), т.е. метаболизма. Многие ферменты
взаимосвязаны со структурами микробной клетки. Например, в
цитоплазматической мембране имеются окислительно-восстановительные
ферменты, участвующие в дыхании и делении клетки: ферменты,
обеспечивающие питание клетки, и др. Окислительно-восстановительные
ферменты цитоплазматической мембраны и ее производных обеспечивают
энергией интенсивные процессы биосинтеза различных структур, в том числе
клеточной стенки. Ферменты, связанные с делением и аутолизом клетки,
обнаруживаются в клеточной стенке. Так называемые эндоферменты
катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки. Экзоферменты
выделяются клеткой в окружающую среду, расщепляя макромолекулы
питательных субстратов до простых соединений, усваиваемых клеткой в
качестве источников энергии, углерода и др. Некоторые экзоферменты
(пенициллиназа и др.) инактивируют антибиотики, выполняя защитную
функцию.
Различают конститутивные и индуцибельные ферменты. К констиутивным
ферментам относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно,
вне зависимости от наличия субстратов в питательной среде. Индуцибельные
(адаптивные) ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при
наличии в среде субстрата данного фермента.
Ферменты микроорганизмов используют в генетической инженерии
(рестриктазы, лигазы и др.) для получения биологически активных
соединений, уксусной, молочной, лимонной и других кислот, молочнокислых
продуктов, в виноделии и других отраслях. Ферменты применяют в качестве
биодобавок в стиральные порошки для уничтожения загрязнений белковой
природы.
Дыхание бактерий
Дыхание, или биологическое окисление, основано на
окислительно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ-
универсального аккумулятора химической энергии. Энергия необходима
микробной клетке для ее жизнедеятельности. При дыхании происходят
процессы окисления и восстановления: окисление — отдача донорами
(молекулами или атомами) водорода или электронов; восстановление —
присоединение водорода или электронов к акцептору. Акцептором водорода
или электронов может быть молекулярный кислород (такое дыхание
называется аэробным) или нитрат, сульфат, фумарат (такое дыхание
называется анаэробным — нитратным, сульфатным, фумаратным). Анаэробиоз
(от греч. аег — воздух + bios — жизнь) — жизнедеятельность, протекающая
при отсутствии свободного кислорода. Если донорами и акцепторами
водорода являются органические соединения, то такой процесс называется
брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление
органических соединений, преимущественно углеводов, в анаэробных
условиях. С учетом конечного продукта расщепления углеводов различают
спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и другие виды брожения.
По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три
основные группы: облигатные, т.е. обязательные, аэробы, облигатные
анаэробы и факультативные анаэробы. Облигатные аэробы могут расти только
при наличии кислорода. Облигатные анаэробы (клостридии ботулизма,
газовой гангрены, столбняка, бактероиды и др.) растут только на среде
без кислорода, который для них токсичен. При наличии кислорода бактерии
образуют перекисные радикалы кислорода, в том числе перекись водорода и
супероксид-анион кислорода, токсичные для облигатных анаэробных
бактерий, поскольку они не образуют соответствующие инактивирующие
ферменты. Аэробные бактерии инактивируют перекись водорода и
супероксидантом соответствующими ферментами (каталазой, пероксидазой и
супероксиддисмутазой). Факультативные анаэробы могут расти как при
наличии, так и при отсутствии кислорода, поскольку они способны
переключаться с дыхания в присутствии молекулярного кислорода на
брожение в его отсутствие. Факультативные анаэробы способны осуществлять
анаэробное дыхание, называемое нитратным: нитрат, являющийся акцептором
водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака.
Среди облигатных анаэробов различают аэротолерантные бактерии, которые
сохраняются при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.
Для выращивания анаэробов в бактериологических лабораториях применяют
анаэростаты — специальные емкости, в которых воздух заменяется смесью
газов, не содержащих кислорода. Воздух можно удалять из питательных сред
путем кипячения, с помощью химических адсорбентов кислорода, помещаемых
в анаэростаты или другие емкости с посевами.
Размножение бактерий
Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом и размножением. Под
ростом часто понимают также увеличение числа особей в единице объема
среды, что, однако, правильнее отнести к размножению бактерий в
популяции. Рост можно регистрировать визуально под микроскопом, на
экране, на серийных фотоснимках и в окрашенных препаратах.Темп и
характер роста у бактерий разной формы отличаются. У палочковидных
бактерий стенка и масса растут равномерно, у шаровидных бактерий —
неравномерно: масса пропорционально кубу, а стенка — пропорционально
квадрату радиуса клетки. Поэтому кокки вначале растут быстро, а затем
увеличение их массы сдерживается отставанием роста стенки.
Размножение — самовоспроизведение, приводящее к увеличению количества
бактериальных клеток в популяции. Бактерии размножаются путем бинарного
деления пополам, реже путем почкования. Делению клеток предшествует
репликация бактериальной хромосомы по полуконсервативному типу
(двуспиральная цепь ДНК раскрывается и каждая нить достраивается
комплементарной нитью), приводящая к удвоению молекул ДНК бактериального
ядра — нуклеоида. Репликация хромосомной ДНК осуществляется от начальной
точки. Хромосома бактериальной клетки связана в области оп с
цитоплазматической мембраной. Репликация ДНК катализируется
ДНК-полимеразами. Сначала происходит раскручивание (деспирализация)
двойной цели ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка
(разветвленные цепи); одна из цепей, достраиваясь, связывает нуклеотиды
от 5′- к 3′ – концу, другая — достраивается посегментно.
Репликация ДНК происходит в три этапа: инициация, элонгация, или рост
цепи, и терминация. Образовавшиеся в результате репликации две хромосомы
расходятся, чему способствует увеличение размеров растущей клетки:
прикрепленные к цитоплазматичеекой мембране или ее производным
(например, мезосомам) хромосомы по мере увеличения объема клетки
удаляются друг от друга. Окончательное их обособление завершается
образованием перетяжки или перегородки деления. Клетки с перегородкой
деления расходятся в результате действия аутолитических ферментов,
разрушающих сердцевину перегородки деления. Аутолиз при этом может
проходить неравномерно: делящиеся клетки в одном участке остаются
связанными частью клеточной стенки в области перегородки деления, такие
клетки располагаются под углом друг к другу.
3. Наследственность и генетические рекомбинации у бактерий
Преимущество микроорганизмов над другими организмами состоит, прежде
всего, в высокой скорости размножения, гаплоидности и большой
разрешающей способности методов генетического анализа этих организмов.
Формирование на питательных средах многомиллиардных популяций бактерии в
течение суток позволяет проводить быстрый и точный анализ происходящих в
них количественных и качественных изменений. Сравнительная простота
постановки эксперимента обусловливает эффективность селективного анализа
микробной популяции и выделение единичных особей, мутировавших с
частотой 10 и выше. Наконец, гаплоидность бактерий, имеющих в отличие от
эукариотов одну хромосому, т.е. одну группу сцепления генов,
обусловливает отсутствие у них явление доминантности, что способствует
быстрому выявлению мутировавших генов.
Материальной основой наследственности, определяющей генетические
свойства всех организмов, в том числе бактерий и вирусов, является
хромосома, представляющая собой огромную молекулу ДНК в виде двойной
спирали, замкнутой в кольцо. Она и является носителем генетической
информации. Вдоль хромосомы линейно располагаются генифунхционально
неоднородные генетические детерминанты, т.е. фрагменты молекулы ДНК”,
контролирующие синтез одного белка или пептида. Совокупность генов,
локализованных в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом данного
организма, называется геномом или генотипом. В более широком смысле
генотип – совокупность всех наследственных факторов организма, как
ядерных (геном), так и неядерных, вне хромосомных (пластидные и
цитоплазматические) наследственных факторов. Генотип – носитель
наследственной информации, передаваемой от поколения к поколению. Он
представляет собой систему, контролирующую фенотип организма. Фенотипом
является внешний вид организма со всеми внешними и внутренними
признаками. Фенотип бактерий есть результат взаимодействия ее генотипа и
среды. Появление в организме новых наследственно передаваемых свойств
может быт вызвано разными типами изменений в генетическом аппарате.
Источником последовательной изменчивости могут быть мутации генов. Под
мутацией понимают внезапные естественные (спонтанные) или вызванные
искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследственных структур
(генов, хромосом), а также обусловленные ими различные изменения свойств
и признаков организма. При этом в двойной спирали ДНК могут происходить
следующие изменения:
– замещение пары оснований, имевшихся в исходной молекуле ДНК другой
парой;
– выпадение пары оснований из молекулы ДНК;
– внедрение новой пары оснований в молекулу ДНК;
– инверсия – поворот нескольких пар оснований на 180 ° С.
Таким образом, в основе мутации лежат молекулярные изменения в
хромосоме. Мутации у бактерий выявляются при наследственных изменениях
любого признака микроба. Классифицируют мутации по происхождению,
локализации на хромосоме клетки и другим признакам. Подобное деление
носит условный характер. К спонтанным мутациям относят такие мутации,
причину возникновения которых трудно и даже невозможно связать с
действием определенного фактора (мутагена). Они образуются
самопроизвольно в любой популяции микроорганизмов без видимого внешнего
воздействия. Спонтанные мутанты образуются до воздействия
селекционирующих факторов, которые лишь отбирают признаки,
сформировавшиеся в популяции мутировавших бактериальных клеток. Так,
например, антибиотикорезистентные клетки просуществуют в чувствительной
бактериальной популяции, а не образуются в результате воздействия на нее
соответствующего антибиотика. Последний только селекционирует
резистентные особи, создавая условия для их размножения. Индуцирующие
мутации возникают в результате обработки микроорганизмов мутагенными
агентами (ультрафиолетовые и рентгеновые лучи, быстрые нейтроны и
протоны, действие температуры, кислоты, щелочи, красители, соли металлов
и др.)
Разные мутагены отличаются по активности и механизму действия. Одни
вызывают изменения числа и структуры хромосом, другие изменяют
последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК.
Мутагены используются в селекции сельскохозяйственных растений и
микроорганизмам с целью получения продуктивных и полезных форм.
Микроорганизмам, как и высшим организмам, свойственны генетические
рекомбинации.
Рекомбинация – это перегруппировка генетического материала (ДНК)
родительских генетических структур (хромосом, плазмид и др.), приводящая
к появлению новых сочетаний генов у потомства. Основной механизм
рекомбинации – кроссинговер- перекрест хромосом, при котором происходит
разрыв участков двух генетических структур, их обмен и воссоединение. У
микроорганизмов рекомбинация осуществляется в результате обмена
участками двух молекул ДНК, либо их фрагментом. Генетические
рекомбинации возникают в результате комплексных процессов, они могут
захватывать большие участки хромосомы или происходить в пределах
отдельных генов. Существуют специальные гены, детерминирующие
рекомбинационную способность клеток – реципиентов.
Передача генетического материала от одних бактерий к другим
осуществляется путем трансформации, трансдукции и конъюгации.
Трансформация бактерий – передача наследственных свойств от одних
бактерий к другим при помощи экстрагированной ДНК, без прямого контакта
клеток донора и реципиента и без участия бактериофага. Явление
трансформации установлено у многих бактерий (пневмококки, анаэробы и
др.). История открытия феномена трансформации связана с исследованием Ф.
Гриффитса (1928 г.), который описал превращение бескапсульного
авирулентного пневмококка в капсульный вирулентный вариант. В процессе
трансформации различают пять стадий:
1. Адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки;
2. Проникновение ДНК в клетку реципиента;
3. Спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клетки;
4. Включение участка ДНК клетки – донора хромосомной структурой
реципиента.
5. Дальнейшее изменение нуклеоида в ходе последующих делений.
Эффективность спаривания трансформирующих ДНК с гомологичным участком
хромосомы реципиента зависит от гомологии ДНК донора и реципиента. Чем
больше гомология, тем эффективнее спаривание, что определяет конечный
результат трансформации, т.е. количество формирующихся рекомбинантов.
Трансформировать могут признаки: устойчивость и чувствительность к
антибиотикам, способность к синтезу ферментов и т.д. Как правило, при
трансформации изменяется один какой-либо признак.
Заключение
Микроорганизмы служат излюбленными объектами для решения общих вопросов
генетики, биохимии, биофизики, космической биологии и др. Культуры
бактерий применяются для количественного определения аминокислот,
витаминов, антибиотиков. Плодородие почв в значительной мере связано с
жизнедеятельностью бактерии, минерализующих растительные и животные
остатки с образованием соединений, усваиваемых с.-х. растениями. Вместе
с тем, синтезируя живое вещество клеток, бактерии накапливают большие
количества органических соединений в почве. В верхних слоях
окультуренной почвы на площади в 1 га содержится несколько тонн
бактериальных клеток. Живущие в почве азотфиксирующие бактерии обогащают
почву азотом. Исключительно велика роль клубеньковых бактерий,
фиксирующих газообразный азот. Заражение семян бобовых растений
нитрагином — препаратом, содержащим клетки клубеньковых бактерий,
повышает урожай растений и накопление азота в почве. С помощью бактерий,
сбраживающих пектиновые вещества, осуществляют мочку льна, конопли,
кенафа и других лубяных культур. Разные виды бактерии применяют при
получении из молока кисломолочных продуктов, масла и сыра.
Список литературы:
1. Учебное пособие. Мандро Николай Михайлович, Землянская Наталья
Ивановна, Бондаренко Валерий Васильевич, Бурик Виктор Владимирович
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ МИКРОБИОЛОГИИ, ВИРУСОЛОГИИ И БОЛЕЗНИ ЗВЕРЕЙ И ПТИЦ
2. http://032.help-rus-student.ru/text/002.htm
3. http://www.o-med.ru/083.php
4. Земсков М.В. и др Основы общей микробиологии, вирусологии и
иммунологии. Изд. 2-е, испр. и доп. М., «Колос», 1977.
5. http://collegemicrob.narod.ru/microbilogy/
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
