МІНІСТЕРСТВО СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ
ФГТУ ВПО «Далекосхідного державного АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
ІНСТИТУТ ВЕТЕРИНАРНОЇ МЕДИЦИНИ І Зоотехнія
Кафедра епізоотології, паразитології і мікробіології
Реферат
Тема: Фізіологія і генетика мікроорганізмів
Виконав: студент 2 курсу ІЛ групи 8217 / 2
Варламов С.
Перевірив: Бондаренко В.В.
Благовєщенськ 2009
Зміст:
Введення
1. Хімічний склад
2. Харчування, дихання і розмноження
3. Спадковість і генетичні рекомбінації у бактерій
Висновок
Список літератури
Введення
Людина використовував бактерії, ще не знаючи про їх існування. За допомогою заквасок, що містять Бактерії, готували кисломолочні продукти, оцет, тісто і т.д. Вперше бактерії побачив А. Левенгук - творець мікроскопу, досліджуючи рослинні настої і зубний наліт. До кінця 19 - початку 20 ст. було виділено велику кількість бактерій, що живуть у грунті, воді, харчових продуктах тощо, були відкриті багато видів хвороботворних бактерій. Класичні дослідження Л. Пастера в області фізіології бактерії послужили основою для вивчення у них обміну речовин. Внесок у дослідження бактерії внесли російські і радянські вчені С.М. Виноградський, В.Л. Омелянський, Л. Ісаченко, які з'ясували роль бактерії у кругообігу речовин у природі, який робить можливим життя на Землі. Цей напрямок в мікробіології нерозривно пов'язане з розвитком геології, біогеохімії, грунтознавства, з вченням В.І. Вернадського про біосферу.
Фізіологія мікроорганізмів вивчає життєдіяльність мікробних клітин, процеси їх харчування, дихання, росту, розмноження, закономірності взаємодії з навколишнім середовищем.
З'ясування фізіології цих мікроорганізмів важливо для постановки мікробіологічного діагнозу, проведення лікування та профілактики інфекційних захворювань, регулювання взаємовідносин тваринного організму з навколишнім середовищем.
Генетика (від грецького genesis - походження) - наука про спадковість і мінливість організмів. Початок генетики як науки поклав Мендель, який, схрещуючи між собою сорти гороху з якісно відрізняються ознаками, встановив основні закономірності спадковості. Вивчення та аналіз законів передачі спадкових ознак від покоління до покоління, а також з'ясування механізмів, що забезпечують наслідування на всіх рівнях організації живих істот, є головною метою генетики. Успіхи генетики стали можливі завдяки спільній роботі мікробіологів, генетиків, хіміків і фізиків, які в своїх дослідженнях використовували мікроорганізми. Саме бактерії і віруси виявилися найбільш простою і зручною моделлю для вирішення нагальних проблем молекулярної генетики.
1. Хімічний склад
За хімічним складом бактерії не відрізняються від клітин інших організмів. Бактеріальна клітина містить 80% води і 20% сухого залишку. Близько 90% сухого залишку бактерії становлять високомолекулярні з'єднання: нуклеїнові кислоти (10%), білки (40%), полісахариди (15%}, пептідоглікон (10%) і ліпіди (15%), решта 10% припадають на моносахара, амінокислоти, азотисті основи, неорганічні солі та інші низькомолекулярні з'єднання. Вода - основний компонент бактеріальної клітини. Вона знаходиться у вільному або зв'язаному стані зі структурними елементами клітини. У суперечках кількість води зменшується до 18-20%. Вода є розчинником для багатьох речовин, а також виконує механічну роль у забезпеченні тургору. При плазмолізу - втрати клітиною води в гіпертонічному розчині - відбувається відшарування протоплазми від клітинної оболонки. Видалення води з клітини, висушування припиняють процеси метаболізму. Більшість мікроорганізмів добре переносять висушування. При нестачі води мікроорганізми не розмножуються. Висушування у вакуумі з замороженого стану (ліофілязація) припиняє розмноження і сприяє тривалому збереженню мікробних особин.
Білки (40-80% сухої маси) визначають найважливіші біологічні властивості бактерій і складаються зазвичай з поєднань 20 амінокислот. До складу бактерій входить діамінопімеліновая кислота, відсутня в клітинах людини і тварин. Бактерії містять більше 2000 різних білків, що знаходяться в структурних компонентах та беруть участь у процесах метаболізму. Більшість білків має ферментативною активністю. Білки бактеріальної клітини обумовлюють антигенність та імуногенність, вірулентність, видову приналежність бактерій.
Нуклеїнові кислоти бактерій виконують функції, аналогічні нуклеїнових кислот еукаріотичних клітин: молекула ДНК у вигляді хромосоми відповідає за спадковість, РНК (інформаційна, або матрична, транспортна та рибосомная) беруть участь в біосинтезі білка.
Вуглеводи бактерій представлені простими речовинами (моно-та дисахариди) і комплексними сполуками. Полісахариди часто входять до складу капсул. Деякі внутрішньоклітинні полісахариди (крохмаль, глікоген та ін) є запасними поживними речовинами.
Ліпіди в основному входять до складу цитоплазматичної мембрани та її похідних, а також клітинної стінки бактерій, наприклад зовнішньої мембрани, де, крім біомолекулярної шару ліпідів, є ЛПС. Ліпіди можуть виконувати в цитоплазмі роль запасних поживних речовин. Ліпіди бактерій представлені фосфоліпідами, жирними кислотами і Глицеридами. Найбільша кількість ліпідів (до 40%) містять мвкобактеріі туберкульозу.
Мінеральні речовини бактерій виявляють у золі після спалювання клітин. У великій кількості виявляються фосфор, калій, натрій, сірка, залізо, кальцій, магній, а також мікроелементи (цинк, мідь, кобальт, барій, марганець та ін.) Вони беруть участь у регуляції осмотичного тиску, рН середовища, окислювально-відновного потенціалу, активують ферменти, входять до складу ферментів, вітамінів і структурних компонентів мікробної клітини.
2. Харчування, дихання і розмноження бактерій
Харчування бактерій
Особливості харчування бактеріальної клітини складаються в надходженні поживних субстратів всередину через всю її поверхню, а також у високій швидкості процесів метаболізму та адаптації до мінливих умов навколишнього середовища.
Типи живлення. Широкому поширенню бактерій сприяє розмаїтість типів харчування. Мікроорганізми потребуємо вуглеводи, азоті, сірці, фосфорі, калію і інших елементах. У залежності від джерел вуглецю для харчування, бактерії діляться на аутотрофи (від грец. Autos - сам, trophe - їжа), які використовують для побудови своїх клітин діоксид вуглецю С02 та інші неорганічні сполуки, і гетеротрофи (від грец. Heteros-другий, trophe - їжа), що живляться за рахунок готових органічних сполук. Аутотрофнимі бактеріями є нитрифицирующие бактерії, що знаходяться в грунті; серобактерии, що живуть у воді з сірководнем; залізобактерій, що живуть у воді з закисное залізом, та ін
Гетеротрофи, утилизирующие органічні залишки відмерлих організмів у навколишньому середовищі, називаються сапрофіти. Гетеротрофи, що викликають захворювання в людини або тварин, відносять до патогенних і умовно-патогенних. Серед патогенних мікроорганізмів зустрічаються облігатні і факультативні паразити (від грец. Parasitos - нахлібник). Облігатні паразити здатні існувати всередині клітини. наприклад рикетсії, віруси і деякі найпростіші. У залежності від окислюваного субстрату, званого донором електронів або водню, мікроорганізми ділять на дві групи. Мікроорганізми, не ристовують як донорів водню неорганічні сполуки, називають лйтотрофнимн (від грец. Lithos - камінь), а мікроорганізми, що використовують як донорів водню органічні сполуки - органотрофамі. Враховуючи джерело енергії, серед бактерій розрізняють фототрофи, тобто фотосинтезуючі (наприклад, синьо-зелені водорості, які використовують енергію світла), і хемстрофи, які потребують хімічних джерелах енергії.
Механізми харчування. Надходження різних речовин у бактеріальну клітину залежить від величини і розчинності їх молекул у ліпідах або воді, рН середовища, концентрації речовин, різних факторів проникності мембран і ін Клітинна стінка пропускає невеликі молекули і іони, затримуючи макромолекули масою понад 600 Д. Основним регулятором надходження речовин в клітину є цитоплазматична мембрана. Умовно можна виділити чотири механізми проникнення поживних речовин у бактеріальну клітину: це проста дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт, транслокація груп.
Найбільш простий механізм надходження речовин у клітину - проста дифузія, при якій переміщення речовин відбувається внаслідок різниці їх концентрації по обидва боки цитоплазматичної мембрани. Речовини проходять через ліпідну частину цитоплазматичної мембрани (органічні молекули, лікарські препарати) і рідше з заповненим водою каналах в цитоплазматичній мембрані. Пасивна дифузія здійснюється без витрати енергії.
Полегшена дифузія відбувається також у результаті різниці концентрації речовин по обидві сторони цитоплазматичної мембрани. Однак цей процес здійснюється за допомогою молекул-переносників, які локалізуються в цитоплазматичній мембрані і володіють специфічністю. Кожен переносник транспортує через мембрану відповідне речовина або передає іншого компоненту цитоплазматичної мембрани - власне переносники. Білками-переносниками можуть бути пермеаз, місце синтезу яких-цитоплазматична мембрана.
Полегшена дифузія протікає без витрати енергії, речовини переміщуються від більш високої концентрації до більш низькою.
Активний транспорт відбувається за допомогою пермеаз і спрямований на перенесення речовин від меншої концентрації в бік більшої, тобто як би проти течії, тому даний процес супроводжується витратою метаболічної енергії (АТФ), що утворюється в результаті окисно-відновних реакцій у клітині.
Перенесення (транслокація) груп подібний з активним транспортом, відрізняючись тим, що переносима молекула видозмінюється в процесі перенесення, наприклад фосфорилюється.
Вихід речовин із клітини здійснюється за рахунок дифузії і за участю транспортних систем.
Ферменти бактерій. Ферменти розпізнають відповідні їм метаболіти (субстрати Х вступають з ними у взаємодію і прискорюють хімічні реакції. Ферменти є білками, беруть участь у процесах анаболізму (синтезу) і катаболізму (розпаду), тобто метаболізму. Багато ферментів взаємопов'язані зі структурами мікробної клітини. Наприклад , на цитоплазматичній мембрані є окислювально-відновні ферменти, які беруть участь у диханні і поділі клітини: ферменти, що забезпечують харчування клітини, і ін Окислювально-відновні ферменти цитоплазматичної мембрани та її похідних забезпечують енергією інтенсивні процеси біосинтезу різних структур, у тому числі клітинної стінки. Ферменти , пов'язані з поділом і аутолізу клітини, виявляються в клітинній стінці. Так звані ендоферменти каталізують метаболізм, що проходить всередині клітини. екзоферментів виділяються клітиною в навколишнє середовище, розщеплюючи макромолекули поживних субстратів до простих сполук, засвоюваних клітиною як джерела енергії, вуглецю та ін Деякі екзоферментів (пеніциліназа та ін) інактивують антибіотики, виконуючи захисну функцію.
Розрізняють конститутивні і індуцибельних ферменти. До констіутівним ферментам відносять ферменти, які синтезуються клітиною безперервно, незалежно від наявності субстратів у живильному середовищі. Індуцибельних (адаптивні) ферменти синтезуються бактеріальною клітиною тільки при наявності в середовищі субстрату даного ферменту.
Ферменти мікроорганізмів використовують в генетичній інженерії (рестриктаз, лігази та ін) для отримання біологічно активних сполук, оцтової, молочної, лимонної та інших кислот, молочнокислих продуктів, у виноробстві та інших галузях. Ферменти застосовують як біодобавок в пральні порошки для знищення забруднень білкової природи.
Дихання бактерій
Дихання, або біологічне окислення, засноване на окислювально-відновних реакціях, що йдуть з утворенням АТФ-універсального акумулятора хімічної енергії. Енергія необхідна мікробної клітці для її життєдіяльності. При диханні відбуваються процеси окислення і відновлення: окислення - віддача донорами (молекулами або атомами) водню або електронів; відновлення - приєднання водню або електронів до акцептору. Акцептором водню або електронів може бути молекулярний кисень (таке дихання називається аеробним) або нітрат, сульфат, фумарат (таке дихання називається анаеробним - нітратним, сульфатним, фумаратним). Анаеробіоз (від грец. АЕГ - повітря + bios - життя) - життєдіяльність, що протікає при відсутності вільного кисню. Якщо донорами і акцепторами водню є органічні сполуки, то такий процес називається бродінням. При бродінні відбувається ферментативне розщеплення органічних сполук, переважно вуглеводів, в анаеробних умовах. З урахуванням кінцевого продукту розщеплення вуглеводів розрізняють спиртове, молочнокисле, уксуснокислое та інші види бродіння.
По відношенню до молекулярного кисню бактерії можна розділити на три основні групи: облігатні, тобто обов'язкові, аероби, облігатні анаероби і факультативні анаероби. Облігатні аероби можуть рости тільки при наявності кисню. Облігатні анаероби (клостридії ботулізму, газової гангрени, правця, бактероїди та ін) ростуть тільки на середовищі без кисню, який для них токсичний. При наявності кисню бактерії утворюють перекисні радикали кисню, в тому числі перекис водню і супероксид-аніон кисню, токсичні для облігатних анаеробних бактерій, оскільки вони не утворюють відповідні инактивирующие ферменти. Аеробні бактерії інактивують перекис водню і супероксідантом відповідними ферментами (каталазою, пероксидазою і супероксиддисмутазою). Факультативні анаероби можуть рости як при наявності, так і при відсутності кисню, оскільки вони здатні переключатися з дихання у присутності молекулярного кисню на бродіння в його відсутність. Факультативні анаероби здатні здійснювати анаеробне дихання, зване нітратним: нітрат, що є акцептором водню, відновлюється до молекулярного азоту та аміаку.
Серед облігатних анаеробів розрізняють аеротолерантние бактерії, які зберігаються при наявності молекулярного кисню, але не використовують його.
Для вирощування анаеробів в бактеріологічних лабораторіях застосовують анаеростати - спеціальні ємності, в яких повітря замінюється сумішшю газів, що не містять кисню. Повітря можна видаляти з живильних середовищ шляхом кип'ятіння, за допомогою хімічних адсорбентів кисню, які розміщені в анаеростати або інші ємності з посівами.
Розмноження бактерій
Життєдіяльність бактерій характеризується ростом і розмноженням. Під зростанням часто розуміють також збільшення числа особин в одиниці об'єму середовища, що, однак, правильніше віднести до розмноження бактерій у популяції. Зростання можна реєструвати візуально під мікроскопом, на екрані, на серійних фотознімках і в забарвлених препаратах.Темп і характер росту у бактерій різної форми відрізняються. У паличковидних бактерій стінка і маса ростуть рівномірно, у кулястих бактерій - нерівномірно: маса пропорційно кубу, а стінка - пропорційно квадрату радіусу клітини. Тому коки спочатку ростуть швидко, а потім збільшення їх маси стримується відставанням росту стінки.
Розмноження - самовідтворення, що приводить до збільшення кількості бактеріальних клітин в популяції. Бактерії розмножуються шляхом бінарного поділу навпіл, рідше шляхом брунькування. Поділу клітин передує реплікація бактеріальної хромосоми за напівконсервативним типу (двуспіральной ланцюг ДНК розкривається і кожна нитка добудовується комплементарної ниткою), яка призводить до подвоєння молекул ДНК бактеріального ядра - нуклеоида. Реплікація хромосомної ДНК здійснюється від початкової точки. Хромосома бактеріальної клітини пов'язана в області оп з цитоплазматичною мембраною. Реплікація ДНК каталізується ДНК-полімеразами. Спочатку відбувається розкручування (деспіралізаціі) подвійної мети ДНК, в результаті чого утворюється репликативная вилка (розгалужені ланцюги); одна з ланок, добудовуючи, пов'язує нуклеотиди від 5'-до 3 '- кінця, інша - добудовується посегментно.
Реплікація ДНК відбувається у три етапи: ініціація, елонгація, або зростання ланцюга, і термінація. Утворилися в результаті реплікації дві хромосоми розходяться, чому сприяє збільшення розмірів зростаючої клітини: прикріплені до цітоплазматічеекой мембрані або її похідних (наприклад, мезосоми) хромосоми в міру збільшення об'єму клітини віддаляються один від одного. Остаточне їх відокремлення завершується утворенням перетяжки або перегородки поділу. Клітини з перегородкою поділу розходяться в результаті дії аутолітичних ферментів, що руйнують серцевину перегородки поділу. Аутоліз при цьому може проходити нерівномірно: діляться клітини в одній ділянці залишаються пов'язаними частиною клітинної стінки в області перегородки поділу, такі клітини розташовуються під кутом один до одного.
3. Спадковість і генетичні рекомбінації у бактерій
Перевага мікроорганізмів над іншими організмами полягає, перш за все, у високій швидкості розмноження, гаплоидности і великий роздільної здатності методів генетичного аналізу цих організмів. Формування на поживних середовищах багатомільярдних популяцій бактерії протягом доби дозволяє проводити швидкий і точний аналіз відбуваються в них кількісних і якісних змін. Порівняльна простота постановки експерименту обумовлює ефективність селективного аналізу мікробної популяції і виділення одиничних особин, мутованих з частотою 10 і вище. Нарешті, гаплоїдного бактерій, що мають на відміну від еукаріотів одну хромосому, тобто одну групу зчеплення генів, обумовлює відсутність у них явище домінантності, що сприяє швидкому виявленню мутованих генів.
Матеріальною основою спадковості, що визначає генетичні властивості всіх організмів, у тому числі бактерій і вірусів, є хромосома, що представляє собою величезну молекулу ДНК у вигляді подвійної спіралі, замкнутої в кільце. Вона і є носієм генетичної інформації. Уздовж хромосоми лінійно розташовуються геніфунхціонально неоднорідні генетичні детермінанти, тобто фрагменти молекули ДНК ", що контролюють синтез одного білка або пептиду. Сукупність генів, локалізованих в гаплоидном (одинарному) наборі хромосом даного організму, називається геномом або генотипом. У більш широкому сенсі генотип - сукупність усіх спадкових факторів організму, як ядерних (геном), так і неядерних, поза хромосомних (пластидних і цитоплазматичні) спадкових факторів. Генотип - носій спадкової інформації, що передається від покоління до покоління. Він являє собою систему, контролюючу фенотип організму. фенотипом є зовнішній вигляд організму з усіма зовнішніми і внутрішніми ознаками. Фенотип бактерій є результат взаємодії її генотипу і середовища. Поява в організмі нових спадково передаються властивостей може побут викликано різними типами змін у генетичному апараті. Джерелом послідовної мінливості можуть бути мутації генів. Під мутацією розуміють раптові природні (спонтанні) або викликані штучно (індуковані) стійкі зміни спадкових структур ( генів, хромосом), а також зумовлені ними різні зміни властивостей і ознак організму. При цьому в подвійній спіралі ДНК можуть відбуватися такі зміни:
- Заміщення пари основ, що були у вихідній молекулі ДНК іншою парою;
- Випадання пари основ з молекули ДНК;
- Впровадження нової пари підстав у молекулу ДНК;
- Інверсія - поворот декількох пар основ на 180 ° С.
Таким чином, в основі мутації лежать молекулярні зміни в хромосомі. Мутації у бактерій виявляються при спадкових зміни будь-якої ознаки мікроба. Класифікують мутації за походженням, локалізації на хромосомі клітини та іншими ознаками. Подібний розподіл носить умовний характер. До спонтанним мутацій відносять такі мутації, причину виникнення яких важко і навіть неможливо пов'язати з дією певного чинника (мутагену). Вони утворюються спонтанно в будь-якій популяції мікроорганізмів без видимого зовнішнього впливу. Спонтанні мутанти утворюються до впливу селекціонуюча факторів, які лише відбирають ознаки, що сформувалися в популяції мутованих бактеріальних клітин. Так, наприклад, антибіотикорезистентних клітини проіснують в чутливій бактеріальної популяції, а не утворюються в результаті впливу на неї відповідного антибіотика. Останній тільки селекціонує резистентні особини, створюючи умови для їхнього розмноження. Індукують мутації виникають в результаті обробки мікроорганізмів мутагенними агентами (ультрафіолетові і рентгеновимі промені, швидкі нейтрони і протони, дію температури, кислоти, луги, барвники, солі металів та ін)
Різні мутагени відрізняються за активністю і механізму дії. Одні викликають зміни числа і структури хромосом, інші змінюють послідовність азотистих основ у молекулі ДНК.
Мутагени використовуються в селекції сільськогосподарських рослин і мікроорганізмів з метою отримання продуктивних і корисних форм.
Мікроорганізмам, як і вищим організмам, властиві генетичні рекомбінації.
Рекомбінація - це перегрупування генетичного матеріалу (ДНК) батьківських генетичних структур (хромосом, плазмід та ін), яка призводить до появи нових поєднань генів у потомства. Основний механізм рекомбінації - кросинговер-перехрест хромосом, при якому відбувається розрив ділянок двох генетичних структур, їх обмін та возз'єднання. У мікроорганізмів рекомбінація здійснюється в результаті обміну ділянками двох молекул ДНК, або їх фрагментом. Генетичні рекомбінації виникають в результаті комплексних процесів, вони можуть захоплювати великі ділянки хромосоми або відбуватися в межах окремих генів. Існують спеціальні гени, що детермінують рекомбінаційних здатність клітин - реципієнтів.
Передача генетичного матеріалу від одних бактерій до інших здійснюється шляхом трансформації, трансдукції і кон'югації.
Трансформація бактерій - передача спадкових властивостей від одних бактерій до інших за допомогою екстрагованому ДНК, без прямого контакту клітин донора та реципієнта і без участі бактеріофага. Явище трансформації встановлено у багатьох бактерій (пневмококи, анаероби та ін.) Історія відкриття феномену трансформації пов'язана з дослідженням Ф. Гріффітса (1928 р.), який описав перетворення бескапсульного авірулентний пневмокока в капсульний вірулентний варіант. У процесі трансформації розрізняють п'ять стадій:
1. Адсорбція трансформирующей ДНК на поверхні мікробної клітини;
2. Проникнення ДНК у клітину реципієнта;
3. Спарювання упровадився ДНК з хромосомними структурами клітини;
4. Включення ділянки ДНК клітини - донора хромосомної структурою реципієнта.
5. Подальша зміна нуклеоида в ході подальших поділів. Ефективність спарювання трансформуючих ДНК з гомологічним ділянкою хромосоми реципієнта залежить від гомології ДНК донора і реципієнта. Чим більше гомологія, тим ефективніше спаровування, що визначає кінцевий результат трансформації, тобто кількість формуються рекомбінантів. Трансформувати можуть ознаки: стійкість і чутливість до антибіотиків, здатність до синтезу ферментів і т.д. Як правило, при трансформації змінюється один будь-якої ознака.
Висновок
Мікроорганізми служать улюбленими об'єктами для вирішення спільних питань генетики, біохімії, біофізики, космічної біології та ін Культури бактерій застосовуються для кількісного визначення амінокислот, вітамінів, антибіотиків. Родючість грунтів в значній мірі пов'язано з життєдіяльністю бактерії, минерализующих рослинні і тваринні залишки з утворенням сполук, засвоюваних с.-г. рослинами. Разом з тим, синтезуючи жива речовина клітин, бактерії накопичують велику кількість органічних сполук у грунті. У верхніх шарах окультуреної грунту на площі в 1 га міститься кілька тонн бактеріальних клітин. Що живуть у грунті азотфіксуючі бактерії збагачують грунт азотом. Виключно велика роль бульбочкових бактерій, які фіксують газоподібний азот. Зараження насіння бобових рослин нитрагином - препаратом, що містить клітини бульбочкових бактерій, підвищує урожай рослин і накопичення азоту в грунті. За допомогою бактерій, зброджують пектинові речовини, здійснюють мочку льону, коноплі, кенафу та інших луб'яних культур. Різні види бактерії застосовують при отриманні з молока кисломолочних продуктів, масла та сиру.
Список літератури:
1. Навчальний посібник. Мандра Микола Михайлович, Землянська Наталя Іванівна, Бондаренко Валерій Васильович, Бурик Віктор Володимирович ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ мікробіології, вірусології та ХВОРОБИ звірів і птахів
2. http://032.help-rus-student.ru/text/002.htm
3. http://www.o-med.ru/083.php
4. Земсков М.В. та ін Основи загальної мікробіології, вірусології та імунології. Вид. 2-е, испр. і доп. М., «Колос», 1977.
5. http://collegemicrob.narod.ru/microbilogy/
ФГТУ ВПО «Далекосхідного державного АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
ІНСТИТУТ ВЕТЕРИНАРНОЇ МЕДИЦИНИ І Зоотехнія
Кафедра епізоотології, паразитології і мікробіології
Реферат
Тема: Фізіологія і генетика мікроорганізмів
Виконав: студент 2 курсу ІЛ групи 8217 / 2
Варламов С.
Перевірив: Бондаренко В.В.
Благовєщенськ 2009
Зміст:
Введення
1. Хімічний склад
2. Харчування, дихання і розмноження
3. Спадковість і генетичні рекомбінації у бактерій
Висновок
Список літератури
Введення
Людина використовував бактерії, ще не знаючи про їх існування. За допомогою заквасок, що містять Бактерії, готували кисломолочні продукти, оцет, тісто і т.д. Вперше бактерії побачив А. Левенгук - творець мікроскопу, досліджуючи рослинні настої і зубний наліт. До кінця 19 - початку 20 ст. було виділено велику кількість бактерій, що живуть у грунті, воді, харчових продуктах тощо, були відкриті багато видів хвороботворних бактерій. Класичні дослідження Л. Пастера в області фізіології бактерії послужили основою для вивчення у них обміну речовин. Внесок у дослідження бактерії внесли російські і радянські вчені С.М. Виноградський, В.Л. Омелянський, Л. Ісаченко, які з'ясували роль бактерії у кругообігу речовин у природі, який робить можливим життя на Землі. Цей напрямок в мікробіології нерозривно пов'язане з розвитком геології, біогеохімії, грунтознавства, з вченням В.І. Вернадського про біосферу.
Фізіологія мікроорганізмів вивчає життєдіяльність мікробних клітин, процеси їх харчування, дихання, росту, розмноження, закономірності взаємодії з навколишнім середовищем.
З'ясування фізіології цих мікроорганізмів важливо для постановки мікробіологічного діагнозу, проведення лікування та профілактики інфекційних захворювань, регулювання взаємовідносин тваринного організму з навколишнім середовищем.
Генетика (від грецького genesis - походження) - наука про спадковість і мінливість організмів. Початок генетики як науки поклав Мендель, який, схрещуючи між собою сорти гороху з якісно відрізняються ознаками, встановив основні закономірності спадковості. Вивчення та аналіз законів передачі спадкових ознак від покоління до покоління, а також з'ясування механізмів, що забезпечують наслідування на всіх рівнях організації живих істот, є головною метою генетики. Успіхи генетики стали можливі завдяки спільній роботі мікробіологів, генетиків, хіміків і фізиків, які в своїх дослідженнях використовували мікроорганізми. Саме бактерії і віруси виявилися найбільш простою і зручною моделлю для вирішення нагальних проблем молекулярної генетики.
1. Хімічний склад
За хімічним складом бактерії не відрізняються від клітин інших організмів. Бактеріальна клітина містить 80% води і 20% сухого залишку. Близько 90% сухого залишку бактерії становлять високомолекулярні з'єднання: нуклеїнові кислоти (10%), білки (40%), полісахариди (15%}, пептідоглікон (10%) і ліпіди (15%), решта 10% припадають на моносахара, амінокислоти, азотисті основи, неорганічні солі та інші низькомолекулярні з'єднання. Вода - основний компонент бактеріальної клітини. Вона знаходиться у вільному або зв'язаному стані зі структурними елементами клітини. У суперечках кількість води зменшується до 18-20%. Вода є розчинником для багатьох речовин, а також виконує механічну роль у забезпеченні тургору. При плазмолізу - втрати клітиною води в гіпертонічному розчині - відбувається відшарування протоплазми від клітинної оболонки. Видалення води з клітини, висушування припиняють процеси метаболізму. Більшість мікроорганізмів добре переносять висушування. При нестачі води мікроорганізми не розмножуються. Висушування у вакуумі з замороженого стану (ліофілязація) припиняє розмноження і сприяє тривалому збереженню мікробних особин.
Білки (40-80% сухої маси) визначають найважливіші біологічні властивості бактерій і складаються зазвичай з поєднань 20 амінокислот. До складу бактерій входить діамінопімеліновая кислота, відсутня в клітинах людини і тварин. Бактерії містять більше 2000 різних білків, що знаходяться в структурних компонентах та беруть участь у процесах метаболізму. Більшість білків має ферментативною активністю. Білки бактеріальної клітини обумовлюють антигенність та імуногенність, вірулентність, видову приналежність бактерій.
Нуклеїнові кислоти бактерій виконують функції, аналогічні нуклеїнових кислот еукаріотичних клітин: молекула ДНК у вигляді хромосоми відповідає за спадковість, РНК (інформаційна, або матрична, транспортна та рибосомная) беруть участь в біосинтезі білка.
Вуглеводи бактерій представлені простими речовинами (моно-та дисахариди) і комплексними сполуками. Полісахариди часто входять до складу капсул. Деякі внутрішньоклітинні полісахариди (крохмаль, глікоген та ін) є запасними поживними речовинами.
Ліпіди в основному входять до складу цитоплазматичної мембрани та її похідних, а також клітинної стінки бактерій, наприклад зовнішньої мембрани, де, крім біомолекулярної шару ліпідів, є ЛПС. Ліпіди можуть виконувати в цитоплазмі роль запасних поживних речовин. Ліпіди бактерій представлені фосфоліпідами, жирними кислотами і Глицеридами. Найбільша кількість ліпідів (до 40%) містять мвкобактеріі туберкульозу.
Мінеральні речовини бактерій виявляють у золі після спалювання клітин. У великій кількості виявляються фосфор, калій, натрій, сірка, залізо, кальцій, магній, а також мікроелементи (цинк, мідь, кобальт, барій, марганець та ін.) Вони беруть участь у регуляції осмотичного тиску, рН середовища, окислювально-відновного потенціалу, активують ферменти, входять до складу ферментів, вітамінів і структурних компонентів мікробної клітини.
2. Харчування, дихання і розмноження бактерій
Харчування бактерій
Особливості харчування бактеріальної клітини складаються в надходженні поживних субстратів всередину через всю її поверхню, а також у високій швидкості процесів метаболізму та адаптації до мінливих умов навколишнього середовища.
Типи живлення. Широкому поширенню бактерій сприяє розмаїтість типів харчування. Мікроорганізми потребуємо вуглеводи, азоті, сірці, фосфорі, калію і інших елементах. У залежності від джерел вуглецю для харчування, бактерії діляться на аутотрофи (від грец. Autos - сам, trophe - їжа), які використовують для побудови своїх клітин діоксид вуглецю С02 та інші неорганічні сполуки, і гетеротрофи (від грец. Heteros-другий, trophe - їжа), що живляться за рахунок готових органічних сполук. Аутотрофнимі бактеріями є нитрифицирующие бактерії, що знаходяться в грунті; серобактерии, що живуть у воді з сірководнем; залізобактерій, що живуть у воді з закисное залізом, та ін
Гетеротрофи, утилизирующие органічні залишки відмерлих організмів у навколишньому середовищі, називаються сапрофіти. Гетеротрофи, що викликають захворювання в людини або тварин, відносять до патогенних і умовно-патогенних. Серед патогенних мікроорганізмів зустрічаються облігатні і факультативні паразити (від грец. Parasitos - нахлібник). Облігатні паразити здатні існувати всередині клітини. наприклад рикетсії, віруси і деякі найпростіші. У залежності від окислюваного субстрату, званого донором електронів або водню, мікроорганізми ділять на дві групи. Мікроорганізми, не ристовують як донорів водню неорганічні сполуки, називають лйтотрофнимн (від грец. Lithos - камінь), а мікроорганізми, що використовують як донорів водню органічні сполуки - органотрофамі. Враховуючи джерело енергії, серед бактерій розрізняють фототрофи, тобто фотосинтезуючі (наприклад, синьо-зелені водорості, які використовують енергію світла), і хемстрофи, які потребують хімічних джерелах енергії.
Механізми харчування. Надходження різних речовин у бактеріальну клітину залежить від величини і розчинності їх молекул у ліпідах або воді, рН середовища, концентрації речовин, різних факторів проникності мембран і ін Клітинна стінка пропускає невеликі молекули і іони, затримуючи макромолекули масою понад 600 Д. Основним регулятором надходження речовин в клітину є цитоплазматична мембрана. Умовно можна виділити чотири механізми проникнення поживних речовин у бактеріальну клітину: це проста дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт, транслокація груп.
Найбільш простий механізм надходження речовин у клітину - проста дифузія, при якій переміщення речовин відбувається внаслідок різниці їх концентрації по обидва боки цитоплазматичної мембрани. Речовини проходять через ліпідну частину цитоплазматичної мембрани (органічні молекули, лікарські препарати) і рідше з заповненим водою каналах в цитоплазматичній мембрані. Пасивна дифузія здійснюється без витрати енергії.
Полегшена дифузія відбувається також у результаті різниці концентрації речовин по обидві сторони цитоплазматичної мембрани. Однак цей процес здійснюється за допомогою молекул-переносників, які локалізуються в цитоплазматичній мембрані і володіють специфічністю. Кожен переносник транспортує через мембрану відповідне речовина або передає іншого компоненту цитоплазматичної мембрани - власне переносники. Білками-переносниками можуть бути пермеаз, місце синтезу яких-цитоплазматична мембрана.
Полегшена дифузія протікає без витрати енергії, речовини переміщуються від більш високої концентрації до більш низькою.
Активний транспорт відбувається за допомогою пермеаз і спрямований на перенесення речовин від меншої концентрації в бік більшої, тобто як би проти течії, тому даний процес супроводжується витратою метаболічної енергії (АТФ), що утворюється в результаті окисно-відновних реакцій у клітині.
Перенесення (транслокація) груп подібний з активним транспортом, відрізняючись тим, що переносима молекула видозмінюється в процесі перенесення, наприклад фосфорилюється.
Вихід речовин із клітини здійснюється за рахунок дифузії і за участю транспортних систем.
Ферменти бактерій. Ферменти розпізнають відповідні їм метаболіти (субстрати Х вступають з ними у взаємодію і прискорюють хімічні реакції. Ферменти є білками, беруть участь у процесах анаболізму (синтезу) і катаболізму (розпаду), тобто метаболізму. Багато ферментів взаємопов'язані зі структурами мікробної клітини. Наприклад , на цитоплазматичній мембрані є окислювально-відновні ферменти, які беруть участь у диханні і поділі клітини: ферменти, що забезпечують харчування клітини, і ін Окислювально-відновні ферменти цитоплазматичної мембрани та її похідних забезпечують енергією інтенсивні процеси біосинтезу різних структур, у тому числі клітинної стінки. Ферменти , пов'язані з поділом і аутолізу клітини, виявляються в клітинній стінці. Так звані ендоферменти каталізують метаболізм, що проходить всередині клітини. екзоферментів виділяються клітиною в навколишнє середовище, розщеплюючи макромолекули поживних субстратів до простих сполук, засвоюваних клітиною як джерела енергії, вуглецю та ін Деякі екзоферментів (пеніциліназа та ін) інактивують антибіотики, виконуючи захисну функцію.
Розрізняють конститутивні і індуцибельних ферменти. До констіутівним ферментам відносять ферменти, які синтезуються клітиною безперервно, незалежно від наявності субстратів у живильному середовищі. Індуцибельних (адаптивні) ферменти синтезуються бактеріальною клітиною тільки при наявності в середовищі субстрату даного ферменту.
Ферменти мікроорганізмів використовують в генетичній інженерії (рестриктаз, лігази та ін) для отримання біологічно активних сполук, оцтової, молочної, лимонної та інших кислот, молочнокислих продуктів, у виноробстві та інших галузях. Ферменти застосовують як біодобавок в пральні порошки для знищення забруднень білкової природи.
Дихання бактерій
Дихання, або біологічне окислення, засноване на окислювально-відновних реакціях, що йдуть з утворенням АТФ-універсального акумулятора хімічної енергії. Енергія необхідна мікробної клітці для її життєдіяльності. При диханні відбуваються процеси окислення і відновлення: окислення - віддача донорами (молекулами або атомами) водню або електронів; відновлення - приєднання водню або електронів до акцептору. Акцептором водню або електронів може бути молекулярний кисень (таке дихання називається аеробним) або нітрат, сульфат, фумарат (таке дихання називається анаеробним - нітратним, сульфатним, фумаратним). Анаеробіоз (від грец. АЕГ - повітря + bios - життя) - життєдіяльність, що протікає при відсутності вільного кисню. Якщо донорами і акцепторами водню є органічні сполуки, то такий процес називається бродінням. При бродінні відбувається ферментативне розщеплення органічних сполук, переважно вуглеводів, в анаеробних умовах. З урахуванням кінцевого продукту розщеплення вуглеводів розрізняють спиртове, молочнокисле, уксуснокислое та інші види бродіння.
По відношенню до молекулярного кисню бактерії можна розділити на три основні групи: облігатні, тобто обов'язкові, аероби, облігатні анаероби і факультативні анаероби. Облігатні аероби можуть рости тільки при наявності кисню. Облігатні анаероби (клостридії ботулізму, газової гангрени, правця, бактероїди та ін) ростуть тільки на середовищі без кисню, який для них токсичний. При наявності кисню бактерії утворюють перекисні радикали кисню, в тому числі перекис водню і супероксид-аніон кисню, токсичні для облігатних анаеробних бактерій, оскільки вони не утворюють відповідні инактивирующие ферменти. Аеробні бактерії інактивують перекис водню і супероксідантом відповідними ферментами (каталазою, пероксидазою і супероксиддисмутазою). Факультативні анаероби можуть рости як при наявності, так і при відсутності кисню, оскільки вони здатні переключатися з дихання у присутності молекулярного кисню на бродіння в його відсутність. Факультативні анаероби здатні здійснювати анаеробне дихання, зване нітратним: нітрат, що є акцептором водню, відновлюється до молекулярного азоту та аміаку.
Серед облігатних анаеробів розрізняють аеротолерантние бактерії, які зберігаються при наявності молекулярного кисню, але не використовують його.
Для вирощування анаеробів в бактеріологічних лабораторіях застосовують анаеростати - спеціальні ємності, в яких повітря замінюється сумішшю газів, що не містять кисню. Повітря можна видаляти з живильних середовищ шляхом кип'ятіння, за допомогою хімічних адсорбентів кисню, які розміщені в анаеростати або інші ємності з посівами.
Розмноження бактерій
Життєдіяльність бактерій характеризується ростом і розмноженням. Під зростанням часто розуміють також збільшення числа особин в одиниці об'єму середовища, що, однак, правильніше віднести до розмноження бактерій у популяції. Зростання можна реєструвати візуально під мікроскопом, на екрані, на серійних фотознімках і в забарвлених препаратах.Темп і характер росту у бактерій різної форми відрізняються. У паличковидних бактерій стінка і маса ростуть рівномірно, у кулястих бактерій - нерівномірно: маса пропорційно кубу, а стінка - пропорційно квадрату радіусу клітини. Тому коки спочатку ростуть швидко, а потім збільшення їх маси стримується відставанням росту стінки.
Розмноження - самовідтворення, що приводить до збільшення кількості бактеріальних клітин в популяції. Бактерії розмножуються шляхом бінарного поділу навпіл, рідше шляхом брунькування. Поділу клітин передує реплікація бактеріальної хромосоми за напівконсервативним типу (двуспіральной ланцюг ДНК розкривається і кожна нитка добудовується комплементарної ниткою), яка призводить до подвоєння молекул ДНК бактеріального ядра - нуклеоида. Реплікація хромосомної ДНК здійснюється від початкової точки. Хромосома бактеріальної клітини пов'язана в області оп з цитоплазматичною мембраною. Реплікація ДНК каталізується ДНК-полімеразами. Спочатку відбувається розкручування (деспіралізаціі) подвійної мети ДНК, в результаті чого утворюється репликативная вилка (розгалужені ланцюги); одна з ланок, добудовуючи, пов'язує нуклеотиди від 5'-до 3 '- кінця, інша - добудовується посегментно.
Реплікація ДНК відбувається у три етапи: ініціація, елонгація, або зростання ланцюга, і термінація. Утворилися в результаті реплікації дві хромосоми розходяться, чому сприяє збільшення розмірів зростаючої клітини: прикріплені до цітоплазматічеекой мембрані або її похідних (наприклад, мезосоми) хромосоми в міру збільшення об'єму клітини віддаляються один від одного. Остаточне їх відокремлення завершується утворенням перетяжки або перегородки поділу. Клітини з перегородкою поділу розходяться в результаті дії аутолітичних ферментів, що руйнують серцевину перегородки поділу. Аутоліз при цьому може проходити нерівномірно: діляться клітини в одній ділянці залишаються пов'язаними частиною клітинної стінки в області перегородки поділу, такі клітини розташовуються під кутом один до одного.
3. Спадковість і генетичні рекомбінації у бактерій
Перевага мікроорганізмів над іншими організмами полягає, перш за все, у високій швидкості розмноження, гаплоидности і великий роздільної здатності методів генетичного аналізу цих організмів. Формування на поживних середовищах багатомільярдних популяцій бактерії протягом доби дозволяє проводити швидкий і точний аналіз відбуваються в них кількісних і якісних змін. Порівняльна простота постановки експерименту обумовлює ефективність селективного аналізу мікробної популяції і виділення одиничних особин, мутованих з частотою 10 і вище. Нарешті, гаплоїдного бактерій, що мають на відміну від еукаріотів одну хромосому, тобто одну групу зчеплення генів, обумовлює відсутність у них явище домінантності, що сприяє швидкому виявленню мутованих генів.
Матеріальною основою спадковості, що визначає генетичні властивості всіх організмів, у тому числі бактерій і вірусів, є хромосома, що представляє собою величезну молекулу ДНК у вигляді подвійної спіралі, замкнутої в кільце. Вона і є носієм генетичної інформації. Уздовж хромосоми лінійно розташовуються геніфунхціонально неоднорідні генетичні детермінанти, тобто фрагменти молекули ДНК ", що контролюють синтез одного білка або пептиду. Сукупність генів, локалізованих в гаплоидном (одинарному) наборі хромосом даного організму, називається геномом або генотипом. У більш широкому сенсі генотип - сукупність усіх спадкових факторів організму, як ядерних (геном), так і неядерних, поза хромосомних (пластидних і цитоплазматичні) спадкових факторів. Генотип - носій спадкової інформації, що передається від покоління до покоління. Він являє собою систему, контролюючу фенотип організму. фенотипом є зовнішній вигляд організму з усіма зовнішніми і внутрішніми ознаками. Фенотип бактерій є результат взаємодії її генотипу і середовища. Поява в організмі нових спадково передаються властивостей може побут викликано різними типами змін у генетичному апараті. Джерелом послідовної мінливості можуть бути мутації генів. Під мутацією розуміють раптові природні (спонтанні) або викликані штучно (індуковані) стійкі зміни спадкових структур ( генів, хромосом), а також зумовлені ними різні зміни властивостей і ознак організму. При цьому в подвійній спіралі ДНК можуть відбуватися такі зміни:
- Заміщення пари основ, що були у вихідній молекулі ДНК іншою парою;
- Випадання пари основ з молекули ДНК;
- Впровадження нової пари підстав у молекулу ДНК;
- Інверсія - поворот декількох пар основ на 180 ° С.
Таким чином, в основі мутації лежать молекулярні зміни в хромосомі. Мутації у бактерій виявляються при спадкових зміни будь-якої ознаки мікроба. Класифікують мутації за походженням, локалізації на хромосомі клітини та іншими ознаками. Подібний розподіл носить умовний характер. До спонтанним мутацій відносять такі мутації, причину виникнення яких важко і навіть неможливо пов'язати з дією певного чинника (мутагену). Вони утворюються спонтанно в будь-якій популяції мікроорганізмів без видимого зовнішнього впливу. Спонтанні мутанти утворюються до впливу селекціонуюча факторів, які лише відбирають ознаки, що сформувалися в популяції мутованих бактеріальних клітин. Так, наприклад, антибіотикорезистентних клітини проіснують в чутливій бактеріальної популяції, а не утворюються в результаті впливу на неї відповідного антибіотика. Останній тільки селекціонує резистентні особини, створюючи умови для їхнього розмноження. Індукують мутації виникають в результаті обробки мікроорганізмів мутагенними агентами (ультрафіолетові і рентгеновимі промені, швидкі нейтрони і протони, дію температури, кислоти, луги, барвники, солі металів та ін)
Різні мутагени відрізняються за активністю і механізму дії. Одні викликають зміни числа і структури хромосом, інші змінюють послідовність азотистих основ у молекулі ДНК.
Мутагени використовуються в селекції сільськогосподарських рослин і мікроорганізмів з метою отримання продуктивних і корисних форм.
Мікроорганізмам, як і вищим організмам, властиві генетичні рекомбінації.
Рекомбінація - це перегрупування генетичного матеріалу (ДНК) батьківських генетичних структур (хромосом, плазмід та ін), яка призводить до появи нових поєднань генів у потомства. Основний механізм рекомбінації - кросинговер-перехрест хромосом, при якому відбувається розрив ділянок двох генетичних структур, їх обмін та возз'єднання. У мікроорганізмів рекомбінація здійснюється в результаті обміну ділянками двох молекул ДНК, або їх фрагментом. Генетичні рекомбінації виникають в результаті комплексних процесів, вони можуть захоплювати великі ділянки хромосоми або відбуватися в межах окремих генів. Існують спеціальні гени, що детермінують рекомбінаційних здатність клітин - реципієнтів.
Передача генетичного матеріалу від одних бактерій до інших здійснюється шляхом трансформації, трансдукції і кон'югації.
Трансформація бактерій - передача спадкових властивостей від одних бактерій до інших за допомогою екстрагованому ДНК, без прямого контакту клітин донора та реципієнта і без участі бактеріофага. Явище трансформації встановлено у багатьох бактерій (пневмококи, анаероби та ін.) Історія відкриття феномену трансформації пов'язана з дослідженням Ф. Гріффітса (1928 р.), який описав перетворення бескапсульного авірулентний пневмокока в капсульний вірулентний варіант. У процесі трансформації розрізняють п'ять стадій:
1. Адсорбція трансформирующей ДНК на поверхні мікробної клітини;
2. Проникнення ДНК у клітину реципієнта;
3. Спарювання упровадився ДНК з хромосомними структурами клітини;
4. Включення ділянки ДНК клітини - донора хромосомної структурою реципієнта.
5. Подальша зміна нуклеоида в ході подальших поділів. Ефективність спарювання трансформуючих ДНК з гомологічним ділянкою хромосоми реципієнта залежить від гомології ДНК донора і реципієнта. Чим більше гомологія, тим ефективніше спаровування, що визначає кінцевий результат трансформації, тобто кількість формуються рекомбінантів. Трансформувати можуть ознаки: стійкість і чутливість до антибіотиків, здатність до синтезу ферментів і т.д. Як правило, при трансформації змінюється один будь-якої ознака.
Висновок
Мікроорганізми служать улюбленими об'єктами для вирішення спільних питань генетики, біохімії, біофізики, космічної біології та ін Культури бактерій застосовуються для кількісного визначення амінокислот, вітамінів, антибіотиків. Родючість грунтів в значній мірі пов'язано з життєдіяльністю бактерії, минерализующих рослинні і тваринні залишки з утворенням сполук, засвоюваних с.-г. рослинами. Разом з тим, синтезуючи жива речовина клітин, бактерії накопичують велику кількість органічних сполук у грунті. У верхніх шарах окультуреної грунту на площі в 1 га міститься кілька тонн бактеріальних клітин. Що живуть у грунті азотфіксуючі бактерії збагачують грунт азотом. Виключно велика роль бульбочкових бактерій, які фіксують газоподібний азот. Зараження насіння бобових рослин нитрагином - препаратом, що містить клітини бульбочкових бактерій, підвищує урожай рослин і накопичення азоту в грунті. За допомогою бактерій, зброджують пектинові речовини, здійснюють мочку льону, коноплі, кенафу та інших луб'яних культур. Різні види бактерії застосовують при отриманні з молока кисломолочних продуктів, масла та сиру.
Список літератури:
1. Навчальний посібник. Мандра Микола Михайлович, Землянська Наталя Іванівна, Бондаренко Валерій Васильович, Бурик Віктор Володимирович ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ мікробіології, вірусології та ХВОРОБИ звірів і птахів
2. http://032.help-rus-student.ru/text/002.htm
3. http://www.o-med.ru/083.php
4. Земсков М.В. та ін Основи загальної мікробіології, вірусології та імунології. Вид. 2-е, испр. і доп. М., «Колос», 1977.
5. http://collegemicrob.narod.ru/microbilogy/