1. Характеристика схожості та відмінності прокаріотів та еукаріотів
Обгрунтування того, що прокаріотних та еукаріотні типи клітинної організації є найбільш істотною межею, що розділяє всі клітинні форми життя, пов'язане з роботами Р. Стейніера (R. Stanier, 1916-1982) і К. ван Ніля, що відносяться до 60-х рр.. Пояснимо різницю між прокаріотів і еукаріотів. Клітина - це шматочок цитоплазми, відмежований мембраною. Остання під електронним мікроскопом має характерну ультраструктуру: два електронно-щільних шару кожен завтовшки 2,5-3,0 нм, розділених електронно-прозорим проміжком. Такі мембрани отримали назву елементарних. Обов'язковими хімічними компонентами кожної клітини є два види нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), білки, ліпіди, вуглеводи. Цитоплазма і елементарна мембрана, що оточує її, - неодмінні й обов'язкові структурні елементи клітини. Це те, що лежить в основі будови всіх без винятку клітин. Вивчення тонкої структури виявило істотні відмінності в будові клітин прокаріотів (бактерій та ціанобактерій) і еукаріот (інші макро-і мікроорганізми).
Прокаріотних клітина відрізняється тим, що має одну внутрішню порожнину, утворену елементарної мембраною, званої клітинної, або цитоплазматичної (ЦПМ). У переважної більшості прокаріотів ЦПМ - єдина мембрана, що виявляється в клітці. У еукаріотних клітинах на відміну від прокаріотних є вторинні порожнини. Ядерна мембрана, що відділяє ДНК від решти цитоплазми, формує вторинну порожнину. Зовнішні мембрани хлоропластів і мітохондрій, що оточують укладені в них функціонально спеціалізовані мембрани, грають аналогічну роль. Клітинні структури, обмежені елементарними мембранами і виконують в клітині певні функції, отримали назву органел. Ядро, мітохондрій, хлоропласти - це клітинні органели. У еукаріотних клітинах крім перерахованих вище є й інші органели.
У клітинах прокаріотів органели, типові для еукаріот, відсутні. Ядерна ДНК у них не відділена від цитоплазми мембраною. У цитоплазмі знаходяться функціонально спеціалізовані структури, але вони не ізольовані від цитоплазми з допомогою мембран і, отже, не утворять замкнутих порожнин. Ці структури можуть бути сформовані і мембранами, але останні не замкнуті і, як правило, виявляють тісний зв'язок з ЦПМ, будучи результатом її локального внутрішньоклітинного розростання. У клітинах прокаріотів є також утворення, оточені особливою мембраною, що має інше порівняно з елементарною будова і хімічний склад.
Таким чином, основна відмінність між двома типами клітин - існування в еукаріотичної клітці вторинних порожнин, сформованих за участю елементарних мембран. Зіставлення деяких рис клітинної організації прокаріотних і еукаріотних організмів представлено в таблиця 1. Зіставлення деяких рис прокаріотних і еукаріотичної клітинної організації:
Ознака | Прокаріотних клітина | Еукаріотичної клітини клітини |
Організація генетичного матеріалу | нуклеоїд (ДНК не відділена від цитоплазми мембраною), що складається з однієї хромосоми; мітоз відсутня | ядро (ДНК відокремлена від цитоплазми ядерною оболонкою), яке має більше однієї хромосоми; розподіл ядра шляхом мітозу |
Локалізація ДНК | в нуклеоида і плазміди, не обмежених елементарної мембраною | в ядрі і деяких органелах |
Цитоплазматичні органели | відсутні | є |
Рибосоми в цитоплазмі | 70S-типу | 80S-типу |
Цитоплазматичні органели | відсутні | є |
Рух цитоплазми | відсутня | часто виявляється |
Клітинна стінка (там, де вона є) | в більшості випадків містить пептидогликан | пептидогликан відсутня |
Джгутики | нитка джгутика побудована з білкових субодиниць, що утворюють спіраль | кожен джгутик містить набір мікротрубочок, зібрані в групи: 2.9 -2 |
У зв'язку з тим що прокаріотних та еукаріотні організація клітин принципово різна, було запропоновано тільки на підставі цієї ознаки виділити всі прокаріоти в особливе царство. Р. Мари (R. Murray) у 1968 р. запропонував всі клітинні організми розділити на дві групи по ТИПОМ їх клітинної організації: царство Prokaryotae, куди увійшли всі організми з прокаріотних будовою клітини, н царство Eukaryotae, куди включені всі вищі Найпростіші, рослини і тварини.
Р. Віттекер (R. Whittaker) запропонував схему, за якою всі живі організми, що мають клітинну будову, представлені розділеними на п'ять царств (рис. 2). Така система класифікації живого світу відображає три основних рівня його клітинної організації: Monera включає прокаріотні організми, що знаходяться на самому примітивному рівні клітинної організації; Protista - мікроскопічні, в більшості своїй одноклітинні, недиференційовані форми життя, що сформувалися в результаті якісного стрибка в процесі еволюції, що призвів до виникненню еукаріотних клітин; багатоклітинні еукаріоти представлені у свою чергу трьома царствами Plantae, Fungi і Animalia.
Три останні таксономічні групи різняться за способом живлення: фототрофних тип харчування за рахунок процесу фотосинтезу характерний для рослин (Plantae): гриби (Fungi) в основному характеризуються осмотрофное типом харчування, т. е. харчуванням розчиненими органічними речовинами; тварини (Animalia) здійснюють голозойное харчування , що полягає в захопленні і переварюванні твердої їжі. Способи живлення, специфічні для рослин і грибів, виникли в процесі еволюції на рівні Monera. На рівні Protista вони отримали свій подальший розвиток; тут же сформувався третій тип харчування - голозойний.
Не беручись судити про доцільність поділу живої природи на п'ять або шість царств, можна з певністю стверджувати, що відокремлення прокаріотних мікроорганізмів в окреме царство Prokaryotae правомірно, оскільки грунтується на принципових відмінностях у структурі прокаріотних і еукаріотних клітин, тобто тих одиниць, з яких побудовані всі клітинні форми життя.
2. Firmicutes и gracilicutes
Характеристика морфологічних і структурних ознак бактерій Firmicutes і gracilicutesFirmicutes - тип бактерій, більшість з яких грам-позитивні. Деякі (клас Mollicutes), зовсім не мають клітинної стінки і не фарбуються за Грамом, але не мають і зовнішньої мембрани, знайденої в інших грам-негативних формах. Спочатку до Firmicutes включали всіх грам-позитивних бактерій, але зараз вони обмежуються основною групою пов'язаних форм, так званою групою низького вмісту G + C, на відміну від Actinobacteria. Вони мають круглі клітини, які називають коками (хоча деякі представники мають паличкоподібні і спіральні форми).
Електронна мікрофотографія колонії
Staphylococcus aureus
Багато Firmicutes утворюють ендоспори, які є дуже стійкими до висушування і можуть витримувати екстремальні умови. Вони знайдені в різних навколишніх середовищах, деякі з них - відомі патогени. Члени однієї сім'ї, Heliobacteriaceae, отримують енергію через фотосинтез.
Група традиційно поділялася на Clostridia (переважно анаероби), Bacilli (облігатні або факультативні аероби), і Mollicutes. На молекулярних деревах перші дві групи часто показуються як парафілетичні або полифилетического до їх основних родів, Clostridium і Bacillus, хоча підтримка цих даних слабка. Можливо, пізніше ці групи будуть переглянуті.
Найбільш відомі пологи Firmicutes включають:
ряд Bacillales
Bacilli, ряд BacillalesBacillus
Listeria
Staphylococcus
ряд Lactobacillales
Bacilli, ряд LactobacillalesEnterococcus
Lactobacillus
Lactococcus
Leuconostoc
Streptococcus
Clostridia
Acetobacterium
Clostridium
Eubacterium
Heliobacterium
Heliospirillum
Sporomusa
Mollicutes
Mycoplasma
Spiroplasma
Ureaplasma
Erysipelothrix
Здатність утворювати більш-менш терморезистентності суперечки, за небагатьма винятками, обмежується групою паличок, більшість з яких має перітріхально розташовані джгутики. Це грам-позитивні бактерії. Аеробні і факультативно-анаеробні палички зведені в пологи Bacillus, Sporolactobacillus і Sporosarcina, а анаеробні пологи Clostridium і Desulfotomaculum. Багато спороутворюючих-рілі види добре відомі завдяки своїм біохімічним особливостям. Тут будуть розглянуті лише деякі представники великих родів Bacillus і Clostridium.
Рис. 2. Схематичне зображення типових форм спороутворюючих клітин. 1-центрально розташована спору, яка не збільшує розміру материнської клітини (Bacillus megaterium); 2-термінальна спору, не збільшує розмірів материнської клітини (Bacillus thuringiensis), з білковими включеннями; 3 - термінальна спору, розширила материнську клітину булавовидний (Bacillus macerans); 4-центральна спору, що надає материнській клітині веретеноподібну (клострідіеподобную) форму (Bacillus polymyxa); 5-кругла термінальна спору, придавшая материнській клітині форму барабанної палички (плектр-альні форму) (Bacillus sphaericus); 6-латеральна спору; материнська клітина збільшилася в розмірах, прийнявши форму веретена (Bacillus laterosporus).
Аеробні спороутворюючі бактерії. Бактерії цього типу живуть у грунті. Багато бацили утворюють ланцюжки клітин або нитки. За формою суперечка і материнських клітин (рис. 3.6) бацили можуть бути розділені на три групи:
(I) Спори овальні або циліндричні, не товщі материнської клітини. Такі спори більшості бацил (В. megaterium, В. cereus, В. subtilis, В. licheniformis, B. anthracis, B. thuringiensis).
(II) Овальні суперечки ширше материнської клітини; вони «роздувають» клітку зсередини в ході споруляції (В. polymyxa, В. macerans, В. stearothermophilus, В. circulans).
(III) Майже кругла спору в набряклому кінці материнської клітини (В. pasteurii).
I. Bacillus megaterium з клітинами величиною 2x5 мкм є гігантом серед еубактерій. Дещо менше В. cereus; до цього виду тепер зараховують також варіант, що отримав назву «mycoides» за грибоподібний зростання на поверхні агару (В. cereus var. Mycoides). Існують «право-і левозакрученние» штами, але загальний вид колоній дуже типовий. У близькому спорідненні з В. cereus знаходяться збудник сибірської виразки В. anthracis, який не має джгутиків і оточений капсулою з глутамінової кислоти, і патогенна для комах бактерія В. thuringiensis. Вид Bacillus subtilis, що отримав назву «сінної палички» (так як накопичувальні культури отримують з сінного екстракту), а також В. licheniformis утворюють поліпептидні антибіотики. Друга з названих бацил здатна рости, отримуючи енергію не тільки за рахунок кисневого дихання, але також за рахунок бродіння і анаеробного нітратного дихання.
П. Бактерія В. polymyxa (раніше називалася В. asterosporus) отримала теперішню свою назву через те, що утворює велику кількість слизу (а також боченкообразние, в поперечному перерізі зірчасті спори). Як і В. licheniformis, вона утворює 2,3-бутандіол. В. stеarothermophilus - виражений термофен (температурний оптимум для росту 50-65 ° С).
III. Вид В. pasteurii відомий як класичний приклад бацили, що розкладає сечовину; він конститутивно синтезує уреазу, гідролізує сечовину до З02 і аміаку і пристосований до високих значень рН. За своєю фізіології з ним подібна Sporosarcina ureae, яка в морфологічному відношенні, власне, належить до сарцини, але за основними фізіологічним ознаками має бути віднесена до бацили (аероб; утворює терморезистентності суперечки, що містять діпіколіно-ву кислоту).
Анаеробні спороутворюючі бактерії. Для зростання цих бактерій кисень не потрібний. Види, об'єднані в рід Clostridium, як правило, не мають цитохромів та каталази. З-за високого вмісту флавінових ферментів багато клостридії при контакті з киснем повітря утворюють перекис водню, яка надає на їх клітини токсичну дію. З огляду на те сульфатвідновлювальних бактерій, що утворюють спори, містять протогеміновие пігменти, їх виділили з роду Clostridium в новий рід Desulfotomaculum (D. nitrificans, D. orientis, D. ruminis). У анаеробних спороутворюючих бактерій спору зазвичай значно ширше, ніж вегетативна клітина. Материнська клітина в залежності від положення суперечки може мати різну форму.
Клостридії зброджують велике число субстратів, включаючи полісахариди, білки, амінокислоти і пурину. За обраних субстратів можна розрізняти цукролітичні клостридії (наприклад, Clostridium butyricum, С. acetobutylicum, С. cellulosae-dissolvens), пептолітіческіе клостридії (С. histolyticum, С. sporogenes, С. tetani, С. botulinum) та клостридії, розкладають сечову кислоту ( С. acidi-urici). Продуктами бродіння є бутират, бутанол, ацетон, 2-пропанол і в багатьох випадках великі кількості газу (Н2, С02). С. Pasteurianum і багато інших цукролітичні клостридії фіксують молекулярний азот. С. aceticum перетворює фруктозу або суміш С02 і молекулярного водню в ацетат.
Як доповнення слід вказати на Oscillospira guilliermondii - незвично велику (5 х 100 мкм) анаеробну бактерію, разделяющуюся на клітини і творчу суперечки. Її часто знаходять у сліпій кишці морської свинки і в рубці жуйних.
ВІДДІЛ GRACILICUTES
Протеобактерії (proteobacteria) це одна з основних груп бактерій. Вони нараховують велику кількість патогенів, таких як кишкова паличка (E.coli), сальмонела (Salmonella), вібріон (Vibrio), чумна паличка (Yersinia pestis), Helicobacter pylori та багато інших видів. Інші є вільно живучими організмами, і налічують багато бактерій, що відповідають за фіксацію азоту. Як і для інших бактерій, група визначається за послідовністю Хвороби (16S рРНК), та названа за ім'ям грецького бога Протея (також як і один з родів бактерій середовищ протеобактерій), який міг змінювати свою форму, в результаті великої різноманітності форм, знайдених у цій групі.
Всі Протеобактерії грам-негативні, з зовнішньою мембраною переважно побудованої з полісахаридів. Багато з них рухаються застосовуючи джгутиків, але деякі нерухомі, а інші вікорустовують ворсинки або інші механізми бактеріального ковзання. Останні включають миксобактерии, унікальну групу бактерій, які можуть агрегувати щоб створити багатоклітинні плодові тіла. Між протеобактерій також існує велика різноманітність типів метаболізму. Більшість членів є факультативними чи облігатними анаеробамі і гетерофамі, але також існують безліч винятку. Різні види, не будучи спорідненими, перетворюють енергію світла, застосовуючи фотосинтез. Також серед протеобактерій існують пурпурні бактерії, названі так за їх червонувато пігментацію.
Альфа-протеобактерій охоплюють більшість фототрофних видів, але також кілька видів, метаболізуються C 1-речовини, сімбіотов з рослинами (ризобії) і тваринами, і групу небезпечних патогенів, Rickettsiaceae. Більше того, вчені вважають, що предтечі мітохондрій клітин еукаріотів також виникли з цієї групи.
Бета-протеобактерій містять кілька груп аеробних чи факультативних бактерій, які часто дуже різноманітні за своїми можливостями метаболізму, кріт того, хемолоітотрофние пологи (тобто, що окислює аміак рід Nitrosomonas) і фототрофів (пологи Rhodocyclus і Rubrivivax). Багато з них знайдені тільки у природних зразках, наприклад, відбросах і грунту. Цей клас містить і деяку кількість патогенних видів: Neisseriaceae (gonorrhoe і meningoencephalitis) і види роду Burkholderia.
Гамма-протеобактерій охоплюють кілька клінічно та науково важливих груп of бактерій, таких як Enterobacteriaceae, Vibrionaceae і Pseudomonadaceae. Значне число важливих патогенів належить до цього класу, тобто Salmonella (викликає ентерит і тиф), Yersinia (чума), Vibrio (холера), Pseudomonas aeruginosa (інфекції легенів госпітелізованих або клінічної пацієнтів з кістозним фіброзом).
Дельта-протеобактерій охоплюють підрозділ здебільшого аеробних бактерій, бактерій створюючих плодові тіла миксобактерии, і підрозділ строго аеробних видів, який містить більшість відомих сульфат-(Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfonema, і т.п.) і сіро-відновлюють бактерії (eg Desulfuromonas) і також кілька інших анаеробних бактерії з іншою фізіологією (тобто залізо-відновлюючі Geobacter і сінтропічние види: Pelobacter і Syntrophus).
Епсілон-протеобактерій містять лише кілька видів, переважно вігнеті і спіральні Wolinella, Helicobacter, і Campylobacter. Вони всі насіляють травний тракт тварин та людини та служать як сімбіотов (Wolinella в коровах) або патогени (Helicobacter у шлунку, Campylobacter у двнадцатіперсній кишці).
Планктоміцеті - облігатно аеробні водні бактерії, знайдені в зразках солоної та прісної води. Вони розмножуються брунькуванням. За структурою, організми цієї групи яйцевидні і мають структуру непепродуктівного кінця, яка допомагає їм з'єднуватися протягом брунькування, так зване стебло.
Організми, які належать до цієї групи не мають пептидогліканів в клітинності стінці. Пептидогликан - важливий гетерополімер, присутній клітинних стінках більшості бактерій, який служать захисним компонентом. Разом з тим стінки планктоміцетов складені з глікопротеїнів багатих на глутамін. Планктоміцеті мають внутрішні структури, більш складні, ніж зазвичай очікуються в прокаріотів. Тоді як вони не мають клідінного ядра такої структури як у еукаріот, ядерний матеріал іноді може бути оточений в подвійній мембрані. На додаток до цього нуклеоида, ці бактерії містять два інших відділу, відокремлених мембраною, пірреллюлозому або рібоплазму, яка містить рибосоми і пов'язані білки, та вільний від рибосом парафоплазму (Glockner, 2003).
3. Характеристика загальних властивостей мікроорганізмів
Мікроорганізми - це організми, невидимі неозброєним оком з-за їх незначних розмірів. Цей критерій - єдиний, який їх об'єднує. В іншому світ мікроорганізмів ще більш різноманітний, ніж світ макроорганизмов. Відповідно до сучасної систематики, мікроорганізми відносяться до трьох царствах:
Vira - до них відносяться віруси;
Eucariotae - до них відносяться прості і гриби;
Procariotae - до них відносяться істинні бактерії, рикетсії, хламідії, мікоплазми, спірохети, актиноміцети.
Кількість і життєдіяльність мікробів залежать від умов існування (харчування, температури, вологості).
За характером харчування мікроби діляться на автотрофні, що харчуються мінеральними речовинами, і гетеротрофні, що харчуються готовими органічними сполуками. Гетеротрофні мікроби діляться на сапрофіти (метатрофи), розкладають органічні речовини в природі і викликають псування харчових продуктів, і паразити (паратрофії), які розвиваються в тілі інших організмів і харчуються складними органічними речовинами. До групи паразитів відносяться різноманітні збудники захворювань людини і тварин.
За типом дихання мікроби діляться на аероби, що розвиваються тільки при доступі кисню повітря, і анаероби, які не потребують в кисні повітря. Анаеробні мікроби поділяються на облігатні, для яких кисень шкідливий, і факультативні, які можуть жити як при доступі повітря, так і без нього Температура є одним з найбільш важливих факторів, що впливають на життєдіяльність мікробів.
По відношенню до температури мікроби поділяють на три групи мезофіли, псіхрофіли і термофіли.
Більшість мікробів, що знаходяться в стадії активного розмноження (вегетативна стадія), гине при температурі близько 70 ° С за 1-5 хв. Спори деяких бактерій витримують кип'ятіння протягом кількох годин. У вологому середовищі спори бактерій гинуть при 120 ° С через 20-30 хв, а в с ^ хой - при 160-170 ° С через 1-2 год Спори більшості дріжджів і цвілі менш стійкі до впливу високих температур, ніж суперечки бактерій і швидко гинуть при нагріванні до 65-80 ° С
Вплив температури на життєдіяльність мікробів обумовлює можливість зберігання харчових продуктів (риба, м'ясо та ін) при знижених температурах, що уповільнюють розмноження мікробів і пригнічують діяльність ферментів. Спостереження показують, що кількість мікробів, які загинули при заморожуванні продуктів, нерідко досягає 80-90% від їх первісного змісту. Мікроорганізми, що залишилися в живих, спочатку інактивуються холодом, але при подальшому зберіганні охолодженого або замороженого продукту при температурі не нижче мінус 8 ° С їх життєдіяльність поступово відновлюється Згубно діють на мікроби повторне заморожування і відтавання продукту.
Великий вплив на життєдіяльність мікробів робить вологість середовища. У результаті висушування продукту зупиняється розвиток багатьох видів містяться в ньому мікробів, оскільки за відсутності води вони не можуть харчуватися. Так, мінімум змісту вологи в середовищі проживання для розвитку бактерії становить 30%, а для багатьох цвілі - близько -13%. Спори деяких цвілевих грибів зберігають здатність до проростання при відсутності вологи протягом декількох років.
4. Особливості будови муреіна у бактерій.
Опорний скелет бактеріальної стінки теж складається значною мірою з однорідного полімеру-пептидоглікану муреіна. -ацетилглюкозамина и N -ацетилмурамовой кислоты ( N -ацетилглюкозаминлактата), соединенные между собой рЧ,4-глико-зидными связями.
Ця макромолекула - гетерополімер, побудований з ланцюжків, у яких чергуються залишки N-ацетилглюкозаміну і N-ацетилмурамовой кислоти (N-ацетілглюкозамінлактата), з'єднані між собою РЧ ,4-Глік-зіднимі зв'язками.Такі нерозгалужені гетерополімерние ланцюга утворюють основу муреіна. Залишки мурамовой кислоти через лактільние групи з'єд нени пептидного зв'язком з амінокислотами. -аланин, D -глутаминовая кислота, .мезодиаминопи-мелиновая кислота или L -лизин и D -аланин.
До типових амінокислотам муреіна відносяться L-аланін, D-глутамінова кислота,. Мезодіамінопі-меліновая кислота або L-лізин та D-аланін. -) диаминопимелиновая кислота и L -лизин играют большую роль в межмолекулярных сшивках, так как образуют пептидные связи с участием обеих аминогрупп и, таким образом, могут связать две гетерополимерные цепи между собой. Діамінокіслоти мезо-(або LL -) діамінопімеліновая кислота і L-лізин грають велику роль в міжмолекулярних зшивання, так як утворюють пептидні зв'язки за участю обох аміногруп і, таким чином, можуть зв'язати дві гетерополімерние ланцюга між собою. Місце діамінопімеліно-вої кислоти або лізину можуть зайняти орнітін або діаміномасляная кислота. Пептидними містками гетерополімерние ланцюга пов'язані між собою в мішкоподібну гігантську молекулу-муреіновий мішок.Муреіновий мішок виконує функцію опорного каркасу клітинної стінки. На ньому відкладаються і його інкрустують різні інші речовини. За будовою цього каркаса, а також по утриманню інших речовин в клітинній стінці грам-позитивні бактерії відрізняються від грам-негативних.
Існують 2 типу будови клітинної стінки:
у бактерій першого типу пептидогликан муреин становить до 90% маси клітинної стінки і утворює багатошаровий (до 10 шарів) каркас, при цьому він ковалентно зв'язаний з тейхоєвих кислотами. Такі бактерії при забарвленні за Грамом міцно утримують комплекс генциановий фіолетового та йоду; вони забарвлюються в синьо-фіолетовий колір і называютсяграмположителъными:
у бактерій з другим типом будови клітинної стінки поверх 2-3 шарів пептидоглікану муреіна розташовується шар ліпополісахаридів. Ці бактерії при забарвленні за Грамом нездатні міцно утримувати комплекс генциановий фіолетового і йоду і відповідно знебарвлюються спиртом, прокрашівая додатковим барвником - фуксином - у рожево-червоний колір. Вони називаються грамнегативними.
5. Характеристика мікроорганізмів за способами харчування
Об'єднати типи конструктивного і енергетичного метаболізму можна в такій таблиці:
Способи існування живих організмів (матриця Львова) | ||||
Джерело енергії | Донор електрона | Джерело вуглецю | Назва способу існування | Представники |
ОВР | Неорганічні сполуки | Вуглекислий газ | Хемолітоавтотрофами | Нитрифицирующие, тіонові, ацидофільні железобактерии |
Органічні сполуки | Хемолітогетеротрофія | Метаноутворюючих архебактерии, водневі бактерії | ||
Органічні речовини | Вуглекислий газ | Хемоорганоавтотрофія | Факультативні метілотрофи, окислюють мурашину кислоту бактерії | |
Органічні сполуки | Хемоорганогетеротрофія | Більшість прокаріотів, з еукаріотів: тварини, гриби, людина | ||
Світло | Неорганічні сполуки | Вуглекислий газ | Фотолітоавтотрофія | Ціанобактерії, пурпурні, зелені бактерії, з еукаріотів: рослини |
Органічні сполуки | Фотолітогетеротрофія | Деякі ціанобактерії, пурпурові, зелені бактерії | ||
Органічні речовини | Вуглекислий газ | Фотоорганоавтотрофія | Деякі пурпурні бактерії | |
Органічні речовини | Фотоорганогетеротрофія | Галобактеріі, деякі ціанобактерії, пурпурові, зелені бактерії | ||
З таблиці видно, що різноманітність типів харчування прокаріотів в рази більше ніж у еукаріот (останні здатні лише до хемоорганогетеротрофіі і фотолітоавтотрофіі).
6. Хімічна будова і структурна організація вірусів, морфологія, особливості взаємодії з клітиною-господарем.
Віруси не мають клітинної будови. Кожна вірусна частка складається з розташованого в центрі носія генетичної інформації і оболонки. Генетичний матеріал являє собою коротку молекулу нуклеїнової кислоти, це утворює серцевину вірусу. Нуклеїнова кислота в різних вірусів може бути представлена ДНК або РНК, причому ці молекули можуть мати незвичайна будова: зустрічається однонітчатая ДНК і двох нитчатая РНК.
Оболонка називається капсид. Вона утворена субодиницями - капсомер, кожен з яких складається з однієї або двох білкових молекул. Число капсомеров для кожного вірусу постійно (в капсида вірусу поліомієліту їх 60, а у вірусу тютюнової мозаїки - 2130). Іноді нуклеїнова кислота разом з капсидом називається нуклеокапсидом. Якщо вірусна частка крім капсида, більше не має оболонки, її називають простим вірусом, якщо є ще одна - зовнішня, вірус називається складним. Зовнішню оболонку також називають суперкапсид, генетично вона не належить вірусу, а відбувається з плазматичної мембрани клітини-хазяїна і формується при виході зібраної вірусної частинки з інфікованої клітини.
У кожного вірусу капсомер капсида розташовуються в строго визначеному порядку, завдяки чому виникає певний тип симетрії. При спіральної симетрії капсид набуває трубчасту (вірус тютюнової мозаїки) або сферичну (РНК-віруси тварин) форму. При кубічної симетрії капсид має форму ікосаедра (двадцятигранниками), такий симетрією мають ізометричні віруси. У випадку комбінованої симетрії капсид має кубічну форму, а розташована всередині нуклеїнова кислота покладена спірально. Правильна геометрія капсида навіть дозволяє вірусним часткам спільно утворювати кристалічні структури.
Неодмінним компонентом вірусної частинки є одна з двох нуклеїнових кислот, білок і зольні елементи. Ці три компоненти є загальними для вірусів, тоді як інші дваліпоіди і вуглеводи - входять до складу далеко не всіх вірусів.
Віруси, які складаються тільки з білка нуклеїнової кислоти і зольних елементів, найчастіше належать до групи простих вірусів, позбавлених диференціації, власних ферментів або яких-небудь спеціалізованих структур - віруси рослин, деякі віруси тварин і комах. У той же час практично всі бактеріофаги, які за хімічним складом, належать до групи мінімальних вірусів, насправді є дуже складними і високодиференційованими структурами.
Віруси, до складу яких поряд з білком і нуклеїнової кислотою входять також липоиди і вуглеводи, як правило, належать до групи складно влаштованих вірусів. Велика частина вірусів цієї групи паразитує на тваринах.
Білки вірусів
-ряду.
Білок всіх досліджених до теперішнього часу вірусів побудований із звичайних амінокислот, які належать до природного L-ряду. Співвідношення амінокислот у вірусних білках досить близько до такого в білках тварин, бактерій і рослин.Вірусні білки не містять зазвичай великої кількості основних амінокислот (аргініну, муцину). Не враховуючи нейтральних амінокислот, можна сказати, що у вірусному білку переважають кислі дикарбонові кислоти. Це справедливо для вірусів з низьким і високим вмістом нуклеїнових кислот.
Вірусна ДНК
Молекули вірусних ДНК можуть бути лінійними або кільцевими, двох ланцюгових або одне цепочечних по всій своїй довжині або ж одне цепочечних тільки на кінцях. Крім того, з'ясувалося, що більшість нуклеотидних послідовностей у вірусному геномі зустрічається лише по одному разу, однак на кінцях можуть перебувати повторювані, або надлишкові ділянки. Крім відмінностей у формі молекули і в структурі кінцевих ділянок вірусних ДНК існують також відмінності у величині геному.
Вірусна РНК
Дослідження вірусної РНК склали один із самих значних вкладів вірусології в молекулярну біологію. Той факт, що у вірусів рослин реплицируемой генетична система складається тільки з РНК, ясно показав, що і РНК здатна зберігати генетичну інформацію. Була встановлена інфекційність РНК вірусу тютюнової мозаїки, і з'ясувалося, що для інфекції необхідна вся її молекула.
Розміри віріонів РНК - вірусів сильно варіюють - від 7. 10 6 до 2. 8 жовтня дальтон, однак розміри РНК і, отже, обсяг міститься в ній інформації різняться в значно меншому ступені.
Вуглеводи
Чотирьом компонентом, що виявляється іноді в очищених вірусних препаратах, є вуглеводи (в кількості, що перевищує вміст цукру в нуклеїнової кислоти). Глюкоза і гентібіоза виявлена у складі деяких фагів. Крім цих вуглеводів, у складі бактеріофагів можуть бути й інші полісахариди. Єдина група вірусів, в якій наявність вуглеводів точно доведено - віруси тварин. У складі елементарних тілець вірусу грипу і класичної чуми птахів перебувають до 17% вуглеводів.
Інші компоненти віріонів
Найбільш важливий з таких компонентів подвійний шар ліпідів, утворює основну масу зовнішньої оболонки у тих вірусів, у яких вона є. Вважають, що ліпіди оболонок просто запозичуються з плазматичної мембрани клітини-хазяїна і тому, строго кажучи, не можуть вважатися вірус специфічними.
Високоочищені препарати віріонів містять ряд низькомолекулярних компонентів. У бактеріофагів і вірусів тварин і рослин виявлено поліаміни. Можливо, що їх фізіологічна функція полягає у нейтралізації негативного заряду нуклеїнової кислоти. Наприклад, вірус герпесу містить досить сперміну, щоб нейтралізувати половинку вірусної ДНК, а в вірусної оболонці присутній спермідин.
До складу деяких вірусів рослин (зморшкуватості турнепсу, крапчатості квасолі, тютюнової мозаїки) входить біс амін.
Розмноження вірусів
Вірусна частка - це інертна статична форма вірусу. Коли віріони знаходяться поза клітини, вони не розмножуються і в них не відбувається жодних метаболічних процесів. Всі динамічні події починаються лише тоді, коли вірус проникає в клітину. Навіть у багатоклітинного господаря вирішальні події при вірусній інфекції відбуваються на клітинному рівні. Поширення вірусу відбувається в результаті повторних циклів взаємодії вірусу з клітинами і розсіяння віріонів в позаклітинному середовищі.
У заражених вірусом клітинах відбувається глибока перебудова вірусного матеріалу, а часто ще й компонентів клітини-господаря. Виникає нова система - комплекс вірус-клітина. Репродукція вірусів - процес багатоетапний, який можна розділити на сім стадій:
Адсорбція. Це процес прикріплення вірусів до поверхні сприйнятливою клітини. Спочатку віріони адсорбуються допомогою електростатичного взаємодії або за рахунок ван-дер-ваальсових сил. Ця стадія оборотна: вірус можна відокремити звичайним струшуванням.
Ін'єкція. Пов'язана з введенням (ін'єкцією) в клітку інфекційної нуклеїнової кислоти вірусу (як у фагів) або проникненням у клітину цілої вірусної частинки з подальшим «роздяганням» вірусу від білкової оболонки і вивільненням інфекційної нуклеїнової кислоти.
Депротеїнізация. У ході її відбувається звільнення носія генетичної інформації вірусу - його нуклеїнової кислоти. У бактеріофагів цей процес збігається з попередньою стадією. 1
Реплікація вірусних молекул нуклеїнової кислоти. Реплікація йде за рахунок нуклеотидів, накопичених в клітині господаря.
Синтез вірус специфічних структурних білків і ферментів. Процес синтезу йде в рибосомах клітини господаря.
Складання (самоорганізації) вірусних частинок. Для цього необхідно, щоб концентрація компонентів віріона досягла високого (критичного) рівня. Компоненти вірусної частинки синтезуються окремо і в різних частинах клітини. 2 Спочатку відбувається комплексування нуклеїнових кислот з частиною білків та освіта нуклеопротеїдів. Останні покриваються оболонками. До складу цих оболонок входять часто деякі компоненти клітинної мембрани.
Лізис.
У бактерій розпад клітин відбувається під впливом ферментів фага, а у клітин вищих організмів - шляхом випинання оболонки клітин і «виштовхування» вірусних частинок в навколишнє середовище.Бактеріофаги віруси бактерій. Вперше описані Ф. Туортом (1915), а термін був введений Ф. Д'Ереллем (1917).
Розглянемо типовий бактеріофаг на прикладі вірусу кишкової палички. Тіло фага складається з голівки, від якої відходить порожнистий стрижень, оточений чохлом з скорочувального білка. Стрижень закінчується базальної платівкою, на якій закріплені шість ниток. Усередині головки міститься ДНК.
Бактеріофаг за допомогою відростків прикріплюється до поверхні кишкової палички і в місці зіткнення з нею розчиняє за допомогою ферменту клітинну стінку. Після цього за рахунок скорочення головки молекула ДНК фага впорскується через канал стрижня в клітку. Приблизно через 10-15 хв під дією цієї ДНК перебудовується весь метаболізм бактеріальної клітини, і вона починає синтезувати ДНК бактеріофага, а не власну. При цьому синтезується і фагів білок. Завершується процес появою 200-1000 нових фагових частинок, в результаті чого клітина бактерії гине.
Бактеріофаги, що утворюють у заражених клітинах нове покоління фагових частинок, що призводить до лізису (розпаду) бактеріальної клітини, називаються вірулентними фагами.
Деякі бактеріофаги всередині клітини господаря не реплицируются. Замість цього їх нуклеїнова кислота включається в ДНК хазяїна, утворюючи з нею єдину молекулу, здатну до реплікації. Такі фаги отримали назву помірних фагів або профагом.
Прокаріоти не диференціюються в стовбурові або спеціалізовані клітини, а є популяцією більш-менш подібних клітин, які продовжують розмножуватися, поки є відповідна живильне середовище. Тому взаємодія фагів з бактеріями відбувається в бактеріальної культурі циклічно, поки не наступить якесь рівноважний стан, який визначається кількістю клітин-господарів і вірусних елементів і швидкістю їх відтворення.
7. Поняття біологічної системи, біологічного об'єкта, гомеостаз.
Поняття відкритої системи ввів Л. фон Берталанфі. Основні відмінні риси відкритих систем - здатність обмінюватися з середовищем масою, енергією та інформацією. До них безумовно відносяться біологічні системи.
Одна з найбільш повних і цікавих класифікацій за рівнями складності запропонована К. Боулдінг. Виділені в ній рівні наведено в табл. 1.
Тип системи | Рівень складності | Приклади |
Живі системи | Відкриті системи з самозберігається структурою (перший ступінь, на якій можливий поділ на живе і неживе) | Клітини, гомеостат |
Живі організми з низькою здатністю сприймати інформацію | Рослини | |
Живі організми з більш розвиненою здатністю сприймати інформацію, але не володіють самосвідомістю | Тварини | |
Системи, які характеризуються самосвідомістю, мисленням і нетривіальним поведінкою | Люди | |
Соціальні системи | Соціальні організації | |
Трансцендентні системи або системи, що лежать зараз поза нашого пізнання |
Світ живих істот, включаючи людину, представлений біологічними (живими) системами різної структурної організації і різного рівня підпорядкування, або узгодженості. Зупинимося на понятті «біологічна система», ознаках біологічних систем та їх рівнях.
Біологічні системи - це об'єкти різної складності, що мають кілька рівнів структурно-функціональної організації та представляють собою сукупність взаємопов'язаних та взаємодіючих елементів.
Прикладами біологічних систем є: клітина, тканини, органи, організми, популяції, види, біоценози, екосистеми різних рангів і біосфера.
Елементарної біологічною системою, тобто системою самого нижчого рангу, є клітина, тому що немає систем ще більш низького рангу, які б володіли всією сукупністю ознак, властивих біологічним системам.
Людина займає особливе місце серед систем, він не тільки живе в світі систем, але і сам є системою, персоніфікованої складової природи.
Гомеостаз
Життєдіяльність організму, як відкритої біосистеми забезпечується процесами, впорядкованими в часі і просторі, приуроченими до певної системи життєзабезпечення. Ці процеси утворюють три потоки:
1.інформаціонний 2.поток речовин 3.поток енергії
Внаслідок цілого ряду складних хімічних перетворень речовини з навколишнього середовища уподібнюються речовин живого організму і з них будується тіло. Ці процеси називають асиміляцією або пластичним обміном.
З іншого боку складні органічні сполуки розпадаються на прості, при цьому втрачається їх схожість з речовинами організму і виділяється енергія, необхідна для реакцій біосинтезу. Ці процеси називають диссимиляцией чи енергетичним обміном.
Обмін речовин забезпечує гомеостаз організму.
Ці потоки здійснюються безперервно і становлять умови існування організму в постійно мінливій навколишньому середовищу.
Під керівництвом нервової та ендокринної систем системи життєзабезпечення підтримують процеси всередині організму в оптимальному режимі.
"Гомеостаз - відносне динамічну сталість складу і властивостей внутрішнього середовища, а також стійкість фізіологічних функцій організму".
К. Бернар Гомеостаз - це здатність організму підтримувати основні параметри життєдіяльності на оптимальному рівні. Важливим аспектом гомеостазу організму є стабільність розвитку (морфогенетический гомеостаз)-здатність організму до формування генетично детермінованого фенотипу при мінімальному рівні онтогенетичних порушень.
8. Відмінності в будові рибосом прокаріотів та еукаріотів.
Процес трансляції у про-і еукаріотів відрізняється незначно. Йде він за допомогою рибосом - самих дрібних і самих численних з клітинних органоїдів.
Прокаріотична клітина містить кілька тисяч рибосом, в еукаріотичної клітці їх у десятки разів більше.
Рибосоми про-і еукаріотів відрізняються за розмірами (у прокаріот вони дрібніші, ніж у еукаріотів), але принцип їх будови однаковий. Складаються рибосоми з двох частин: великої і малої субодиниць. До їх складу крім білків входять РНК. Ці РНК отримали назву рибосомних, рРНК.
(Сведберг). S - это коэффициент седиментации, который характеризует скорость перемещения молекул или частиц в центробежном поле при центрифугировании.
Величину рибосом і складових їх частин прийнято вказувати в спеціальних одиницях - S (Сведберг). S - це коефіцієнт седиментації, який характеризує швидкість переміщення молекул або частинок у відцентровому полі при центрифугуванні. Швидкість переміщення залежить від маси частинок, їх розмірів та форми. и 80 S соответственно. Величина рибосом прокаріотів і еукаріотів - 70 S і 80 S відповідно.рРНК - в малую; 23 S рРНК и 5 S рРНК - в большую субъединицы) и 55 различных белков (21 - в малую и 34 - в большую субъединицы).
У рибосоми прокаріотів входить три різних види молекул рРНК (16 S рРНК - в малу, 23 S рРНК та 5 S рРНК - у велику субодиниці) і 55 різних білків (21 - в малу і 34 - у велику субодиниці). рРНК - в малую; 28 S рРНК, 5.8 S рРНК и 5 S рРНК - в большую субъединицы) и около 80 белков. До складу еукаріотичних рибосом входять чотири види молекул рРНК (18 S рРНК - в малу, 28 S рРНК, 5.8 S рРНК та 5 S рРНК - у велику субодиниці) і близько 80 білків.У мітохондріях і хлоропластах також виявлені рибосоми. Вони характеризуються тими самими властивостями і параметрами, що і рибосоми прокаріотів.
Молекули рРНК взаємодіють один з одним і з білками, утворюючи компактні структури - субодиниці рибосом.
У еукаріотів з'єднання рРНК з рибосомного білка відбувається в ядерце. У центрі ядерця розташована ділянка хромосоми, в якому знаходяться гени рибосомних РНК. Синтезовані рРНК з'єднуються з рибосомного білка, що надійшли через ядерні пори з цитоплазми, де вони були синтезовані на вже існували рибосомах. Вони з'єднуються з молекулами рРНК, утворюючи субодиниці рибосом. Готові субодиниці через пори виходять в цитоплазму, де братимуть участь у синтезі білка.
Таким чином, ядерце - це не тільки місце синтезу рибосомних РНК, але й місце складання субодиниць рибосом. Рибосоми потрібні у величезних кількостях, оскільки в клітці постійно йдуть процеси синтезу білка. Тому на хромосомах у тих місцях, де розташовані гени рРНК, знаходиться величезне скупчення молекул: синтезовані рРНК, що прийшли з цитоплазми рибосомні білки, що збираються і готові су'едініци рибосом. Зрозуміло, чому ядерце є найщільнішою частиною ядра і клітини.
Розміри ядерця залежать від функціонального стану клітин. Якщо в клітці активно йдуть процеси біосинтезу білків, ядерце може займати до 25% від об'єму ядра.
Ядерце утворюється на тих хромосомах, де є гени рРНК. Ці ділянки хромосом називаються ядерцеві організаторами. Наприклад, у людини десять хромосом здатні утворювати ядерця. Кожен ядерцевих організатор представляє собою величезну хроматиновой петлю, тому що містить кілька десятків і навіть сотень однакових послідовностей - генів рРНК. Ці послідовності розташовані один за одним і синтез рРНК йде одночасно з усіх копій. Таким чином збільшується інтенсивність синтезу рРНК, на частку якої припадає більше 90% всієї РНК клітини. Ядерця, утворені різними хромосомами, дуже часто зливаються один з одним. У ядрах клітин людини зазвичай спостерігають одне, два або три ядерця.
При початку трансляції мала субодиниця рибосоми зв'язується з певною ділянкою іРНК, до них приєднується тРНК з амінокислотою, а потім із цим комплексом зв'язується велика субодиниця. Після цього рибосома готова до виконання своєї функції - синтезу білка. Білки рибосом здатні виконувати свої функції тільки у складі рибосоми-тільки в комплексі з рРНК та іншими рибосомного білка вони набувають небходимая конформацію.
Транспортна РНК, нагадує в розгорнутій формі лист конюшини. Амінокислота прикріплена до "черешкові конюшини", а на вершині листа знаходиться триплет, взаємодіє з кодоном в іРНК - антикодон.
Роль "великої літери" при трансляції амінокислотної послідовності у прокаріот виконує змінена форма амінокислоти метіоніну - формілметіонін. Їй відповідає кодон АУГ. Після завершення синтезу поліпептидного ланцюга формілметіонін відщеплюється і в готовому білку відсутня. У тому випадку, коли триплет АУГ стоїть всередині гена, він кодує незмінену амінокислоту метіонін.
Якщо кодон і антикодон комплементарні один одному, то рибосома пересувається щодо іРНК, і наступний кодон стає доступним для взаємодії з наступного тРНК. Відбувається від'єднання перший амінокислоти від першої тРНК і приєднання її до амінокислоті, яку принесла друга тРНК. Під час пересування рибосоми щодо іРНК перший тРНК, вільна від амінокислоти, залишає рибосому. Друга тРНК залишається, поєднана з пептидом з двох амінокислотних залишків, і в рибосому входить третій кодон іРНК для взаємодії з черговою тРНК і т.д.
Коли в рибосоме виявляється один з трьох триплетів (УАА, УАГ, УГА), жодна тРНК не може зайняти місце навпроти нього, так як не існує тРНК з антикодоном, комплементарними цим послідовностей. Поліпептидного ланцюга не до чого приєднатися і вона залишає рибосому. Синтез білка завершений.
Таким чином, рибосома з'єднує в одному місці учасників трансляції: іРНК і амінокислоти в комплексі з тРНК, при цьому молекули РНК так орієнтовані відносно один одного, що стає можливим кодон-антікодоновое взаємодію. Освіта пептидного зв'язку контролюється правильністю кодон-антікодонового взаємодії. Рибосома здійснює утворення пептидного зв'язку та переміщення щодо іРНК.
Молекула інформаційної РНК взаємодіє не з одного рибосомою, а з кількома. Кожна рибосома проходить весь шлях від "заголовного" кодону до терминирующего, синтезуючи одну молекулу білка. Чим більше рибосом пройде по мРНК, тим більше молекул білка буде синтезовано. Молекула інформаційної РНК з декількома рибосомами схожа на нитку бус і називається полірібосомой, або полисомой.
9. Основні фази росту мікроорганізмів.
При вирощуванні бактерій у рідкому поживному середовищі спостерігається кілька фаз росту культур:
1. Фаза вихідна (латентна) - мікроби адаптуються до живильного середовища, збільшується розмір клітин. До кінця цієї фази починається розмноження бактерій.
2. Фаза логарифмічного інкубаційного зростання - йде інтенсивний поділ клітин. Триває ця фаза близько 5 годин. За оптимальних умов бактеріальна клітина може ділитися кожні 15-30 хв.
3. Стаціонарна фаза - число знов з'явилися бактерій дорівнює числу відмерлих. Тривалість цієї фази виражається в годинах і коливається в залежності від виду мікроорганізмів.
4. Фаза відмирання - характеризується загибеллю кліток в умовах виснаження живильного середовища і накопичення в ній продуктів метаболізму мікроорганізмів.
Посівний матеріал, потрапивши в свіжу повноцінне середовище, відразу не починає розмноження. . Только после определенного времени, иногда через несколько часов, клетки приспосабливаются к среде и окружающим условиям.
Цей період називають лаг-фазою I. Тільки після певного часу, іноді через кілька годин, клітини пристосовуються до середовища і навколишніх умов. У цей період активуються ферменти, а також, якщо це необхідно, синтезуються нові ферментні системи. У період лаг-фази стрімко зростає кількість нуклеїнових кислот, особливо РНК, що необхідно для біосинтезу білків.
Рис. 1. — лаг-фаза, II — логарифмическая фаза, III — фаза замедленного роста, IV
Фази росту культури мікроорганізмів: I - лаг-фаза, II - логарифмічна фаза, III - фаза уповільненого зростання, IV —фаза отмирания, N — число клеток (млн/мл) - Стаціонарна фаза, V-фаза відмирання, N - число клітин (млн / мл), в которой клетки размножаются с максимальной для данной культуры скоростью.
Після лаг-фази слід логарифмічна, або експонентна, фаза II, в якій клітини розмножуються з максимальною для даної культури швидкістю. Внаслідок цього запас необхідних поживних речовин у середовищі зменшується, крім того, відбувається накопичення різних продуктів обміну речовин, які у певній концентрації можуть заважати нормальному протіканню біохімічних процесів обміну речовин. Іноді в живильному середовищі накопичується стільки клітин, що не вистачає простору, а конкретніше, поверхні для нових поколінь клітин. Саме через поверхню відбуваються процеси обміну - попадання поживних речовин у клітину і виведення метаболітів. Якщо клітина знаходиться в тісному оточенні інших клітин, то площа поверхні зменшується і разом з тим знижується інтенсивність процесів обміну. Швидкість росту культури також зменшується, якщо скорочується поверхню клітин на одиницю об'єму. Це відбувається при збільшенні розмірів клітин і, таким чином, особливо для клітин сферичної форми, значно погіршуються умови харчування.Як відомо, поверхню сферичних тіл змінюється пропорційно квадрату їх радіусу, а об'єм - пропорційно кубу радіуса. Лімітуючі поверхні знаходяться, очевидно, і всередині клітин. У молекулярній біології накопичується все більше фактів, які вказують на те, що функціонування життєвих процесів необхідно пов'язувати з біополімерами, мембранними структурами та їх поверхнею.
. Через определенное время в стационарной фазе IV
У ході інтенсивного росту і розмноження всередині закритої системи негативний вплив лімітуючих факторів збільшується і в результаті швидкість росту зменшується, настає фаза уповільненого зростання III. Через певний час у стаціонарній фазі IV маса клітин у живильному середовищі досягає максимального рівня. Потім настає період, коли число відмерлих і автолізірованних клітин перевищує приріст. . У результаті кількість біомаси зменшується - настає фаза відмирання V.10. Характеристика молочнокислого і спиртового бродіння
Молочнокисле бродіння - як звичайно приймають, йде згідно з наступним рівнянням С12H22О 11 (молочний цукор) + H2O = 4С3Н6О3 (молочна кислота), якщо ж зброджується декстроза або речовини, здатні переходити в декстрозу, то гідратації не відбувається (Bourquelot): С6Н12О6 = 2С3Н6О3. Збудників молочнокислого бродіння є багато видів бактерій, серед яких можна вказати кишкову паличку (Bacterium coli commune), Micrococcus prodigiosus та ін, але частіше за все зустрічається в скисле молоко Bacterium acidi lactici. Цей аеробний мікроорганізм має вигляд коротенької палички, іноді перетягнутою посередині, іноді складається з двох, трьох члеників. Суперечки у нього ендогенні, желатину не розріджує і дає на неї білу колонію. Вперше збудник М. бродіння був описаний Пастером (1857) під назв. «Фермент або дріжджі М. бродіння», чистих культур його Пастер не отримав. Першу чисту культуру отримав Лістер (1877) і назвав виділений їм організм Bacterium lactis. Виділений Гюппе (1884) з кислого молока мікроорганізм, названий їм Bacillus acidi lactici, мабуть, тотожний з описаним Лістером. В даний час описано багато М. бактерій, які відрізняються між собою іноді не тільки морфологічно, але й у різному ступені вираженої зброджують здатністю. Продуктом бродіння частіше за все є недіяльному молочна кислота (етіледенмолочная кислота, СН 3 - СНОН - СООН або так звані. Молочна кислота бродіння), але одночасно з нею можуть утворитися одна або обидві оптично діяльні кислоти (права або парамолочная кислота або м'ясо-молочна кислота і ліва молочна кислота). Певні бактерії при певних умовах утворюють однакові кислоти; форми, що утворюють, прим., Правообертальні кислоту при звичайних умовах, дають лівообертальну кислоту, якщо температура досягне 50 ° Ц. (Лейхманн). Останнім часом не залишилося жодних сумнівів у тому, що діяльність цих мікроорганізмів обумовлюється специфічним ензимом. СР Lafar, «Handbuch d. Technischen Mykologie »(Ієна) і Lafar,« Бактерії і грибки »(СПб., 1903, де можна знайти відноситься сюди літературу).
Спиртове бродіння здійснюється так званими дріжджоподібними організмами, а також деякими пліснявими грибками. Сумарну реакцію спиртового бродіння можна зобразити наступним чином:
Механізм реакції спиртового бродіння надзвичайно близький до гліколізу. Розбіжність починається лише після етапу освіти пірувату. При гліколізі піруват за участю ферменту ЛДГ і коферменту НАДН відновлюється в лактат. При спиртовому бродінні цей кінцевий етап замінений двома іншими ферментативними реакціями - піруватдекарбо-ксілазной і алкогольдегідрогеназной.
У дріжджових клітинах (спиртове бродіння) піруват спочатку піддається декарбоксилюванню, в результаті чого утворюється оцтовий альдегід. Дана реакція каталізується ферментом піруватдекарбоксілазой, який вимагає наявності іонів Mg та коферменту (ТПФ):
Утворився ацетальдегід приєднує до себе водень, відщеплюється від НАДН, відновлюючись при цьому в етанол. Реакція каталізується ферментом алкогольдегідрогеназою:
Таким чином, кінцевими продуктами спиртового бродіння є етанол і СО 2, а не молочна кислота, як при гліколізі.
Процес молочнокислого бродіння має велику схожість зі спиртовим бродінням. Відмінність полягає лише в тому, що при молочнокислому бродінні піровиноградна кислота не декарбоксилуєтся, а, як і при гліколізі в тваринних тканинах, відновлюється за участю ЛДГ за рахунок водню НАДН.
Відомі 2 групи молочно-кислих бактерій. Бактерії однієї групи в процесі бродіння вуглеводів утворюють тільки молочну кислоту, а бактерії інший з кожної молекули глюкози «виробляють» по одній молекулі молочної кислоти, етанолу і СО 2.
Існують і інші види бродіння, кінцевими продуктами яких можуть бути пропіонова, масляна і янтарна кислоти, а також інші з'єднання.
11. Характеристика основних потреб мікроорганізмів в макро-та мікроелементів. Ауксотрофи і прототрофи.
Для росту і розмноження бактерій, а, отже, і для їх харчування, необхідні різні хімічні сполуки, розчинені у воді. За кількісним вкладом у побудову клітини розрізняють макро-і мікроелементи. До макроелементів відносять 10 елементів таблиці Менделєєва: вуглець, водень, кисень, азот, сірку, калій, кальцій, фосфор, магній, залізо. Мікроелементи потрібні бактеріям у дуже малих, слідових, кількостях, вони представлені марганцем, молібденом, цинком, міддю, кобальтом, нікелем, хлором, бромом і деякими іншими металами і неметалами. Більшість з них міститься у вигляді домішок в макроелементах або може потрапляти в поживні середовища з скляного посуду, води чи повітря. Деякі бактерії можуть обходиться і без мікроелементів.
Для росту мікроорганізмів так само необхідний азот, який входить до складу органічних сполук або солей в різній мірі відновлення. Це можуть бути солі амонію, нітрати або окремі амінокислоти. Для задоволення потреби бактерій в азоті використовують також продукти неповного розщеплення білків тваринного походження - гідролізати, пептони і складні білкові суміші - нативну сироватку тварин, асцитичну рідина та ін
Крім вуглецю, азоту та інших хімічних елементів, багато бактерій потребують чинниках зростання, до яких належать вітаміни, підстави нуклеїнових кислот та інші біологічно активні речовини. За цією ознакою мікроорганізми можна розділити на дві групи: ауксотрофи, для яких у середовищі необхідна наявність одного або декількох факторів росту і прототрофи, вони в чинниках зростання не потребують.
12. Механізм регуляції активності ферментів в мікроорганізмах.
Оскільки практично всі реакції в клітці катализируются ферментами, регуляція метаболізму зводиться до регуляції інтенсивності ферментативних реакцій. Швидкість останніх може регулюватися двома основними способами: шляхом зміни кількості ферментів і / або зміни їхньої активності, т. з. ступеня іспольванія їх каталітичного потенціалу.
Регуляція активності ферментів
Рис. 28. Регуляторні впливу на рівень клітинних метаболітів (продуктів)
Фактори, що регулюють активність ферментів, різноманітні за своєю природою (рис. 28). Фізичні фактори (температура, тиск, світло, магнітне поле, електричні імпульси надають менш специфічну дію, ніж хімічні. У свою чергу дію останніх також може бути розділене на декілька типів. Одні хімічні речовини зв'язуються з активним центром ферменту, наприклад субстрати, кофактори, конкурентні інгібітори, що призводить до зміни ферментативної активності. Інші речовини взаємодіють із спеціальними ділянками на поверхні молекули певного типу ферменту, що не мають безпосереднього відношення до центрів каталітичної активності, але тим не менш приводять до її зміни.
Нарешті, активність деяких ферментів регулюється шляхом хімічної модифікації їх молекули, в основі якої лежить ковалентное оборотне зв'язування з ферментом певного угруповання, що призводить до зміни його активності. У прокаріотів відомі дві ферментні системи, активність яких регулюється таким шляхом. Глутамінсінтетаза E. coli, що каталізує синтез глутаміну, існує у двох формах, які відрізняються присутністю в одній з них залишку адениловой кислоти. Приєднання його за допомогою ковалентного зв'язку, що каталізується відповідним модифицирующим ферментом, призводить до утворення менш активною аденілірованной глутамінсінтетази:
Видалення адениловой групи, що веде до виникнення деаденілірованной форми ферменту, різко підвищує його каталітичну активність. Аналогічний механізм регулювання активності ферменту шляхом приєднання та видалення залишку оцтової кислоти (ацетилювання - деацетилюванню) виявлено для цітратліази у фотосинтезуючої бактерії Rhodopseudomonas gelatinosa. У цьому випадку активна ацетильований форма ферменту.
Найбільш швидким, точним і тонким механізмом регуляції активності ферментів є регуляція, якій піддається певний тип ферментів, що одержали назву аллостеріческіх21. Ці ферменти, як правило, займають ключові позиції в обміні речовин, розташовуючись в "стратегічних" пунктах клітинного метаболізму - початку метаболічних шляхів або місцях розгалужень, де розходяться або сходяться кілька шляхів.
Рис. 29. Зв'язування субстрату з ферментом (А) і дію негативного (Б) і позитивного (І) ефектора на каталітичну активність аллостеріческого ферменту: 1 - каталітичний центр, 2 - регуляторний центр (no Schlegel, 1972)
Аллостеріческій ферменти мають каталітичний і регуляторний (аллостеріческій) центри, просторово роз'єднані, але функціонально тісно взаємопов'язані. Каталітична активність ферменту змінюється в результаті зв'язування з його регуляторним центром певних метаболітів, званих ефекторами. Крім кінцевих продуктів даного шляху, ефекторами можуть бути субстрати ферментів, а також деякі кінцеві продукти родинних метаболічних шляхів. Якщо дія ефектора призводить до зниження каталітичної активності ферменту, такий ефектор називається негативним, або інгібітором. Позитивним називають ефектор, дія якого підвищує каталітичну активність ферменту. Позитивним ефекторів, або активатором, частіше за все буває субстрат даного ферменту.
Зв'язування ефектора з регуляторним центром призводить до зміни спорідненості ферменту до субстрату в результаті якогось конформаційного зміни ферменту (рис. 29).
Найбільш простий випадок аллостеріческій регулювання - регулювання першого ферменту неразветвленной биосинтетического шляхи його кінцевим продуктом. Якщо кінцевий продукт накопичується в надлишку, він пригнічує активність першого ферменту в процесі, званому інгібуванням за принципом зворотного зв'язку Прикладом такого типу регулювання є інгібування біосинтезу L-ізолейцин (рис. 30) Перший фермент на шляху синтезу L-ізолейцин L-треоніндезаміназа є аллостеріческій і інгібується тільки L-ізолейцин.
Рис. 30. Регуляція біосинтезу L-ізолейцин за механізмом негативного зворотного зв'язку; ф, - треоніндезаміназа; ф - ФЗ - ферменти, що каталізують проміжні стадії біосинтезу L-ізолейцин. Стрілкою показано інгібування треоніндезамннази L-ізолейцин
13. Механізм поглинання субстратів у мікроорганізмів.
Основне джерело енергії в клітині - окислення субстратів киснем повітря. Цей процес здійснюється трьома шляхами: приєднанням кисню до атому вуглецю, відщепленням водню або втратою електрона. У клітинах окислювання протікає у формі послідовного перенесення водню і електронів від субстрату до кисню. Кисень відіграє в цьому випадку роль відновлюється з'єднання (окислювача). Окислювальні реакції протікають з вивільненням енергії. Для біологічних реакцій характерні порівняно невеликі зміни енергії. Це досягається за рахунок дроблення процесу окислення на ряд проміжних стадій, що дозволяє запасати її невеликими порціями у вигляді макроергічних сполук (АТФ). Відновлення атома кисню при взаємодії з парою протонів і електронів приводить до утворення молекули води.
Тканинне дихання
Це процес споживання клітинами тканин організму кисню, який бере участь в біологічному окисленні. Такий вид окислення називають аеробним окисленням. Якщо кінцевим акцептором в ланцюзі перенесення водню виступає не кисень, а інші речовини (наприклад піровиноградна кислота), то такий тип окислення називають анаеробних.
Т.ч. біологічне окислення - це дегидрирование субстрату за допомогою проміжних переносників водню і його кінцевого акцептора.
Дихальна ланцюг (ферменти тканинного дихання) - це переносники протонів і електронів від окислюваного субстрату на кисень. Окислювач - це з'єднання, здатне приймати електрони. Така здатність кількісно характеризується окислювально-відновним потенціалом по відношенню до стандартного водневого електрода, рН якого дорівнює 7,0. Чим менше потенціал з'єднання, тим сильніше його відновлюють властивості і навпаки.
Т. о. будь-яке з'єднання може віддавати електрони тільки з'єднанню з більш високим окислювально-відновним потенціалом. У дихальної ланцюга кожне наступне ланка має більш високий потенціал, ніж попереднє.
Дихальна ланцюг складається з:
1.НАД - залежної дегідрогенази;
2.ФАД-залежною дегідрогенази;
3.Убіхінона (КоQ);
4.Цітохрмов b, c, a + a3.
НАД-залежні дегідрогенази. В якості коферменту містять НАД і НАДФ. Піридинові кільце нікотинаміду здатне приєднувати електрони і протони водню.
ФАД і ФМН-залежні дегідрогенази містять в якості коферменту фосфорний ефір вітаміну В2 (ФАД).
Убіхінон (КоQ) забирає водень у флавопротеїдів і перетворюється при цьому в гідрохінон.
Ц. - білки хромопротеїди, здатні приєднувати електрони, завдяки наявності у своєму складі як простетических груп железопорфірінов. Вони беруть електрон від речовини, що є трохи більш сильним відновником, і передають його більш сильному окислителю. Атом заліза пов'язаний з атомом азоту імідазольного кільця аминоксилот гістидину з одного боку від площини порфіринового циклу, а з іншого боку з атомом сірки метіоніну. Тому потенційна здатність атома заліза в цитохромах до зв'язування кисню пригнічена.
У цитохрому С порфириновой площину ковалентно пов'язана з білком через два залишки цистеїну, а в цитохромах b і а, вона ковалентно не пов'язане з білком.
У цитохроми а + а3 (цитохромоксидази) замість протопорфірину містяться порфірин А, який відрізняться поруч структурних особливостей. П'яте координаційне положення заліза зайнято аминогруппой, що належить залишку аміноцукри, що входить до складу самого білка.
На відміну від гема гемолгобіна атом заліза в цитохромах може зупинити переходити з двох у тривалентне стан це забезпечує транспорт електронів (Див. докладніше додаток 1 "Атомна і електронна структура гемопротеинов").
Механізм роботи електронно-транспортного ланцюга
Зовнішня мембрана мітохондрії (рис. 4.8.1) проникна для більшості дрібних молекул та іонів, внутрішня майже для всіх іонів (крім протонів Н) і для більшості незаряджених молекул.
Всі перераховані вище компоненти дихального ланцюга вбудовані у внутрішню мембрану. Транспорт протонів і електронів по дихальному ланцюгу забезпечується різницею потенціалів між її компонентами. При цьому кожне збільшення потенціалу на 0,16 У звільняє енергію, достатню для синтезу однієї молекули АТФ з АДФ і Н3РО4. При споживанні однієї молекули О2 утворюється 3 АТФ.
Процеси окислення і утворення АТФ з АДФ і фосфорної кислоти тобто фосфорилювання протікають в мітохондріях. Внутрішня мембрана утворює безліч складок - крист. Простір обмеженою внутрішньої мембраною - матриксом. Простір між внутрішньою та зовнішньою мембранами називається міжмембранні.
14. Характеристика пентозофосфатного шляху розщеплення глюкози
Відкриття шляху прямого окислення вуглеводів, або, як його називають, пентозофосфатного циклу, належить О. Варбург, Ф. Ліпманом, Ф. Дікенс і В.А. Енгельгарда. Розбіжність шляхів окислення вуглеводів - класичного (цикл трикарбонових кислот, або цикл Кребса) і пентозофос-фатного - починається зі стадії утворення гексозомонофосфата. Якщо глюкозо-6-фосфат ізомеризується під фруктозо-6-фосфат, який фосфо-ріліруется вдруге і перетворюється на фруктозо-1 ,6-бісфосфат, то в цьому випадку подальший розпад вуглеводів відбувається за звичайним гликолитическому шляху з утворенням піровиноградної кислоти, яка, окислюючись до ацетил-КоА, потім «згоряє» в циклі Кребса.
Якщо другої фосфорилювання гексозо-6-монофосфату не відбувається, то Фосфорильована глюкоза може піддаватися прямому окисленню до фосфопентоз. У нормі частка пентозофосфатного шляху в кількісному перетворенні глюкози звичайно невелика, варіює у різних організмів і залежить від типу тканини і її функціонального стану.
У ссавців активність пентозофосфатного циклу відносно висока в печінки, надниркових, ембріональної тканини і молочній залозі в період лактації. Значення цього шляху в обміні речовин велике. Він поставляє відновлений НАДФН, необхідний для біосинтезу жирних кислот, холестерину і т.д. За рахунок пентозофосфатного циклу приблизно на 50% покривається потреба організму в НАДФН.
Інша функція пентозофосфатного циклу полягає в тому, що він постачає пентозофосфати для синтезу нуклеїнових кислот і багатьох коферментів. При ряді патологічних станів питома вага пентозофосфатного шляху окислення глюкози зростає. Механізм реакцій пентозофосфатного циклу досить розшифрований.
Пентозофосфатний цикл починається з окислення глюкозо-6-фосфату і подальшого окисного декарбоксилювання продукту (в результаті від гексозофосфата відщеплюється перший атом вуглецю). Це перша, так звана окислювальна, стадія пентозофосфатного циклу. ).
Друга стадія включає неокислювальний перетворення пентозофосфатов з утворенням вихідного глюкозо-6-фосфату (рис. 3). Реакції пен-тозофосфатного циклу протікають в цитозолі клітини.Перша реакція - дегидрирование глюкозо-6-фосфату за участю ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази і коферменту НАДФ +. Утворився в ході реакції 6-фосфоглюконо-δ-лактон - з'єднання нестабільне і з великою швидкістю гідролізується або спонтанно, або за допомогою ферменту 6-фосфоглюконолактонази з утворенням 6-фос-фоглюконовой кислоти (6-фосфоглюконат):
У другій - окисної - реакції, що каталізується 6-фосфоглюко-натдегідрогеназой (декарбоксилуєтся), 6-фосфоглюконат дегидрирующей і декарбоксилуєтся. У результаті утворюється Фосфорильована кетопентоза - D-рибулезо-5-фосфат і ще 1 молекула НАДФН:
Під дією відповідної епімерази з рибулезо-5-фосфату може утворитися інша фосфопентоза - ксілулозо-5-фосфат. Крім того, рибулезо-5-фосфат під впливом особливої ізомерази легко перетворюється в рибоза-5-фосфат. Між цими формами пентозофосфатов встановлюється стан рухомого рівноваги:
За певних умов пентозофосфатний шлях на цьому етапі може бути завершений. Однак при інших умовах наступає так званий неокислювальний етап (стадія) пентозофосфатного циклу. Реакції цього етапу не пов'язані з використанням кисню і протікають в анаеробних умовах. При цьому утворюються речовини, характерні для першої стадії гліколізу (фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1 ,6-бісфосфат, фосфотріо-зи), а інші - специфічні для пентозофосфатного шляху (седогептуло-зо-7-фосфат, пентози-5- фосфати, ерітрозо-4-фосфат).
Основними реакціями неокислювальний стадії пентозофосфатного циклу є транскетолазная і трансальдолазная. Ці реакції каталізують перетворення ізомерних пентози-5-фосфатів:
Коферментом у транскетолазной реакції служить ТПФ, що грає роль проміжної переносника глікольальдегідной групи від ксілулозо-5-фосфату до рибоза-5-фосфату. У результаті утворюється семіуглеродний моносахарид седогептулозо-7-фосфат і гліцеральдегид-3-фосфат.
Транскетолазная реакція в пентозном циклі зустрічається двічі, другий раз - при утворенні фруктозо-6-фосфату і тріозофосфата в результаті взаємодії другу молекули ксілулозо-5-фосфату з еритро-зо-4-фосфатом:
Фермент трансальдолаза каталізує перенесення залишку діоксіацетона (але не вільного діоксіацетона) від седогептулозо-7-фосфату на гли-церальдегід-3-фосфат:
Шість молекул глюкозо-6-фосфату, вступаючи в пентозофосфатний цикл, утворюють 6 молекул рибулезо-5-фосфату та 6 молекул СО 2, після чого з 6 молекул рибулезо-5-фосфату знову регенерується 5 молекул глюко-зо-6-фосфату. Однак це не означає, що молекула глюкозо-6-фосфату, що вступає в цикл, повністю окислюється. Всі 6 молекул СО 2 утворюються з С-1-атомів 6 молекул глюкозо-6-фосфату.
Валове рівняння окисної і неокислювальний стадій пентозофосфатного циклу можна представити в наступному вигляді:
або
Утворився НАДФН використовується в цитозолі на відновлювальні синтези і, як правило, не бере участь в окислювальному фосфорилюванні, що протікає в мітохондріях.
15. Особливості шляху Ембдена-Мейергофа-Парнаса (гліколіз)
Гексозодіфосфатній шлях (гліколіз), або схема Ембдена - Мейєргофа-Парнаса, почінається Із глюкози І через ряд послідовніх реакцій деградації призводить до утворення пірувату. Перша реакція відбувається з витрат ЕНЕРГІЇ у вігляді макроергічного зв'язку АТФ І пов'язана з утворенням фосфорильованих похідного глюкози - глюкозо-6-фосфату. У наступній реакції відбувається ізомерізація глюкозо-6-фосфату у фруктозо-6-фосфат. При дії фосфофруктокіназі відбувається утворення фруктозо-1 ,6-дифосфат. У наступній реакції Під вплива альдолази утворюється Дві тріозі: 3-фосфогліцеріновій альдегід І фосфодіоксіацетон, які є ізомерамі І того мо-жуть переходіті один в одного. Альдолаза фруктозо-1 ,6-дифосфат є ключовим ферментом для задовольняють шляху, виявлення актівності якого чітко вказує на наявність гексозодіфосфатного шляху. Наступні реакції пов'язані з окисненням 3-фосфогліцерінового альдегіду Під вплива гліцераль-дегід-3-фосфатдегідрогеназі з утворенням макроергічного зв'язку 1,3-діфосфо-гліцерінової кислоти. Наявний в Цій речовіні макроергічній зв'язок перетворюється в макроергічній зв'язок АТФ Під годину Першого субстратного фосфо-рілювання. Друге фосфорилювання пов'язане з перетворенням макроергіч-ної сполуки - фосфоенолпіровіноградної кислоти в піруват. Більш Докладно механізмі утворення АТФ Під годину двох субстратні фосфорилювання Будуть опісані в Наступний розділах. Подалі частка пірувату у випадка аеробних процесів пов'язана з перетворенням в ацетил-КоА; в анаеробних умова від пірувату мо-жуть почінатісь перетворення за різнімі схемами процесів бродіння.
Як найбільш показовості приклад можна навести гомоферментативное молочнокислі бродіння, за якого з пірувату утворюється молочна кислота.
Процес спиртового бродіння відбувається за цією ж схемою, но піруват піддається декарбоксілюванню з утворенням ацетоальдегіду, Який потім 'Дновлюється НАД +-залежний алкогольдегідрогеназою до етанолу.
Деякі види ентеробактерій здійснюють бродіння з утворенням цілої серії кислот, середа якіх домінує Мурашин, Яка потім Може піддаватісь утілізації Під дією ферменту форміатгідрогеназі до С02 І Н2. Такі реакції називають mурашінокіслім бродінням. Для ентеробактерій такоже характерний особли-ним Шлях синтезу етанолу з пірувату через утворення ацетил-КоА з Наступним відновленням Його до етанолу.
Бродіння з утворенням ацетату Може відбуватісь декількома шляхами Один з них пов'язаний з відновленням СОГ до оцтової кислоти; Під годину інш го відбувається утворення ацетату з ацетил-КоА.
Більш складним процесом є пропіоновокісле бродіння, його призначення та складається фрагменту циклу Кребса на ділянці від щавлевооцтової до янтарної кислоти Кінцевій продукт бродіння - пропіонова кислота.
Найбільшій спектр кінцевіх продуктів утворюється в результаті маслянокислого бродіння: ізопропанол, масляна кислота, бутанол, ацетон, етанол, оцтова кислота.
16. ШЛЯХ ЕНТНЕРА - Дудорова
Загальна схема третього шляху розщеплення вуглеводів еубактеріі представлена на рис. 67.
Перші два його етапи - фосфорилювання молекули глюкози і її дегидрирование до 6-фосфоглюконовой кислоти - ідентичні першим двом етапам окисного пентозофосфатного шляху. Специфічні для шляхи Ентнера - Дудорова дві наступні реакції: 1) дегідратірованіе 6-фосфоглюконовой кислоти, що приводить до утворення КДФГ-кислоти, 2) розщеплення продукту першої реакції на два C3-фрагмента. Кінцевими продуктами другої реакції є піровиноградна кислота і 3-ФГА. Останній окислюється в пировиноградную кислоту так само, як у гліколітичної шляху. Отже, при розкладанні молекули глюкози до пірувату по шляху Ентнера - Дудорова утворюється 1 молекула АТФ (2 молекули АТФ синтезуються на відрізку шляху 3-ФГА ® піровиноградна кислота мінус 1 молекула АТФ, витрачена на фосфорилювання глюкози), 1 молекула НАД-H2 і 1 молекула НАДФ-H2.
Шлях Ентнера - Дудорова має важливе значення, коли зброджуваний субстратами служать глюконова, маннановая, гексуронові кислоти або їх похідні. Він функціонує у досить широкого кола еубактеріі, головним чином, грамнегативних, які отримують енергію в процесі дихання (ентеробактеріі50, види Azotobacter, Pseudomonas, Alcaligenes, Rhizobium, Spirillum, Xanthomonas, Thiobacillus та ін.) У анаеробів він зустрічається досить рідко. Як приклад організму, зброджуваного цукру по шляху Ентнера - Дудорова, можна навести облігатно анаеробну бактерію Zymomonas mobilis. Однак її вивчення дозволяє припускати, що Z. mobilis - вторинний анаероб, що відбувся від цітохромсодержащіх аеробів. Шлях Ентнера - Дудорова виявлений у деяких клостридій, що ще раз підкреслює неоднорідність еубактерій, об'єднаних в цю таксономічну групу.
У ентеробактерій гліколітичні і окислювальний пентозофосфатний шляху функціонують як центральні конститутивні шляху метаболізірованія вуглеводів, шлях Ентнера - Дудорова - як індуцибельних.
Згідно з існуючими уявленнями шлях Ентнера - Дудорова сформувався пізніше гликолитического та окисного пентозофосфатного шляхів і виник як відгалуження останнього, оскільки почала окисного пентозофосфатного шляху і шляху Ентнера - Дудорова ідентичні і для останнього необхідно було сформувати тільки два нових ферменту (6-фосфоглюконатдегідратазу і КДФГ-альдолази) . Поява шляху Ентнера - Дудорова, ймовірно, було викликано високою потребою клітин в пірувату, тому виникла необхідність сформувати механізм, за допомогою якого піруват утворювався б з вихідного субстрату як можна більш коротким і прямим шляхом. Дійсно, до отримання пірувату по шляху Ентнера - Дудорова ведуть всього 4 реакції, в той час як у гліколітичної шляхи для цього потрібно 9 ферментативних перетворень.
Як можна бачити зі схеми процесу (рис. 67), шлях Ентнера - Дудорова має кілька точок перетину з гліколітичні і окислювальним пентозофосфатному шляхами: 6-фосфоглюконовая кислота являє собою проміжне з'єднання шляху Ентнера - Дудорова та окисного пентозофосфатного; піруват і 3-ФГА - проміжні з'єднання шляху Ентнера - Дудорова і гліколізу.
У природі є багато місць із повним або майже повною відсутністю молекулярного кисню. Це глибокі шари води, грунту, мули морів і континентальних водоймищ. Особливу екологічну нішу для розвитку анаеробів представляють рубець і кишечник тварин і людини. Облігатно анаеробний спосіб існування широко поширений серед еубактерій. Систематичне вивчення анаеробних еубактерій, розпочате в останні десятиліття, виявило неоднорідність входять в цю групу організмів, здатних отримувати енергію в процесах бродіння, фотосинтезу та анаеробного дихання.
Тільки невелика частина облігатно анаеробних еубактерій може бути віднесена до первинних анаеробів, тобто виникли в докисневний епоху і зберіг до теперішнього часу основні риси метаболізму того періоду в результаті проживання в анаеробних екологічних нішах: отримання енергії в процесі бродіння, відсутність електронтранспортних ланцюгів, слабко розвинені біосинтетичні здібності.
Більшість існуючих облігатних анаеробів серед еубактерій мають вторинне походження як наслідок повторної адаптації до анаеробних умов, що супроводжується, як правило, змінами деградаційної характеру: втратою здатності взаємодіяти з O2, втратою деяких компонентів перенесення електронів, більшою залежністю від готових органічних сполук середовища проживання і т. д . Прикладом можуть служити суворо анаеробні еубактеріі, що становлять основну мікрофлору рубця і травного тракту тварин і людини. Це в більшості грамнегативні коки або палички, здатні зброджувати цукру і / або амінокислоти. У багатьох з них виявлені цитохроми b і a і показана здатність синтезувати АТФ за механізмом мембранзавісімого фосфорилювання.
У представленому в цій главі матеріалі проаналізовано енергетичні процеси, сформовані на першому етапі еволюції життя на Землі. Те, що бродіння - найбільш примітивний спосіб отримання енергії організмами, в даний час ніким не ставиться під сумнів. Набагато складніше оцінити, який шлях у процесі еволюції пройдено тими чи іншими організмами. Очевидно, що при наявних можливостях обміну генетичною інформацією в світі прокаріотів збереження їх у первісному вигляді малоймовірно. Опис представлених у цій главі декількох груп анаеробних еубактерій, в першу чергу, пропіоновокислих бактерій і клостридій, служить ілюстрацією цього.
Рис. 67
17. Поняття про ферменти. Їх значення і класифікація.
Ферменти (від лат. Fermentum - бродіння, закваска), специфічні білки, присутні у всіх живих клітинах і які відіграють роль біологічних каталізаторів. Через їх посередництво реалізується генетична інформація і здійснюються всі процеси обміну речовин і енергії в живих організмах. Ферменти бувають простими або складними білками, до складу яких поряд з білковим компонентом (апоферментом) входить небілкова частина - кофермент. Ефективність дії ферментів визначається значним зниженням енергії активації каталізуються реакції в результаті утворення проміжних фермент-субстратні комплексів. Приєднання субстратів відбувається в активних центрах, які володіють схожістю тільки з певними субстратами, чим досягається висока специфічність (вибірковість) дії ферментів. Одна з особливостей ферментів - здатність до спрямованого і регульованому дії. За рахунок цього контролюється узгодженість всіх ланок обміну речовин. Ця здатність визначається просторовість структурної молекули ферментів. Вона реалізується через зміну швидкості дії ферментів і залежить від концентрації відповідних субстратів і кофакторів, рH середовища, температури, а також від присутності специфічних активаторів та інгібіторів (наприклад, аденілових нуклеотидів, карбонільних, сульфгідрильних сполук та ін.) Деякі ферменти крім активних центрів мають додаткові, т.зв. аллостеріческій регуляторні центри. Біосинтез ферментів знаходиться під контролем генів. Розрізняють конститутивні ферменти, постійно присутні в клітках, і індуковані ферменти, біосинтез яких активується під впливом відповідних субстратів. Деякі функціонально взаємопов'язані ферменти утворюють в клітці структурно організовані Поліферментні комплекси. Багато ферментів і ферментні комплекси міцно пов'язані з мембранами клітини або її органоїдів (мітохондрій, лізосом, мікросом і т.д.) і беруть участь в активному транспорті речовин через мембрани.
Відомо більше 20000 різних ферментів, з яких багато виділені з живих клітин та отримані в індивідуальному стані. Перший кристалічний фермент (уреаза) виділено американським біохіміком Д. Самнером в 1926 р. Для ряду ферментів вивчена послідовність амінокислот і з'ясовано розташування поліпептидних ланцюгів у тривимірному просторі. У лабораторних умовах здійснено штучний хімічний синтез ферменту рибонуклеази. Ферменти використовують для кількісного визначення та отримання різних речовин, для модифікації молекул нуклеїнових кислот методами генної інженерії, діагностики та лікування ряду захворювань, а також у ряді технологічних процесів, які застосовуються в легкій, харчовій і фармацевтичній промисловості.
Будучи білками, ферменти мають усіма їхніми властивостями. Разом з тим біокаталізатори характеризуються низкою специфічних якостей, теж випливають з їх білкової природи. Ці якості відрізняють ферменти від каталізаторів звичайного типу. Сюди відносяться термолабільність ферментів, залежність їх дії від значення рН середовища, специфічність і, нарешті, схильність до впливу активаторів та інгібіторів.
За першою в історії вивчення ферментів класифікації їх ділили на дві групи: гідролази, що прискорюють гідролітичні реакції, і десмолази, що прискорюють реакції негідролітіческого розпаду. Потім була зроблена спроба розбити ферменти на класи за кількістю субстратів, які беруть участь в реакції. Відповідно до цього ферменти класифікували на три групи. 1. Каталізують перетворення двох субстратів одночасно в обох напрямках: А + В) С + D. 2. Прискорюють перетворення двох субстратів в прямій реакції і одного в зворотною: А + В) С. 3. Забезпечуючі каталітичне видозміна одного субстрату як у прямій, так і в зворотній реакції: А) В.
Одночасно розвивався напрямок, де в основу класифікації ферментів був покладений тип реакції, яка піддається каталітичного впливу. Поряд з ферментами, які прискорюють реакції гідролізу (гідролази), були вивчені ферменти, які беруть участь в реакціях переносу атомів і атомних груп (феразим), в ізомеризації (ізомерази), розщепленні (ліази), різних синтезах (синтетази) і т. д. Цей напрямок в класифікації ферментів виявилося найбільш плідним, оскільки об'єднувало ферменти в групи не за надуманими, формальними ознаками, а за типом найважливіших біохімічних процесів, що лежать в основі життєдіяльності будь-якого організму. За цим принципом всі ферменти ділять на 6 класів.
1. Оксидоредуктази - прискорюють реакції окислення - відновлення. 2. Трансферази - прискорюють реакції перенесення функціональних груп і молекулярних залишків. 3. Гідролази - прискорюють реакції гідролітичного розпаду. 4. Ліази - прискорюють негідролітіческое відщеплення від субстратів певних груп атомів з утворенням подвійного зв'язку (або приєднують групи атомів по подвійному зв'язку). 5. Ізомерази - прискорюють просторові чи структурні перебудови в межах однієї молекули. 6. Лігази - прискорюють реакції синтезу, пов'язані з розпадом багатих енергією зв'язків. Ці класи і покладені в основу нової наукової класифікації ферментів.
18. Участь мікроорганізмів у кругообігу речовин
У відповідності зі своєю роллю і функцією в балансі природи організми поділяються на три групи. Зелені рослини синтезують органічні речовини, використовуючи енергію сонця і вуглекислоту, тому їх називають продуцентами. Тварини є споживачами (коісу-ментами); вони витрачають значну частину первинної біомаси для побудови свого тіла. Тіла тварин і рослин в кінці кінців піддаються розкладанню, у якому органічні речовини перетворюються в мінеральні, неорганічні сполуки. Цей процес, званий мінералізацією, здійснюють в першу чергу гриби і бактерії; в балансі природи вони служать деструкторами. Таким чином, біоелементи беруть участь в циклічних процесах. Тут доречно коротко зупинитися на біогеохімічних круговоротах вуглецю, азоту, фосфору і сірки.
Кругообіг вуглецю. У кругообігу вуглецю мікроорганізми виконують функцію, дуже важливу для підтримки життя на Землі. Вони забезпечують мінералізацію вуглецю, перекладеного зеленими рослинами в органічні сполуки, і тим самим підтримують досить нестійка рівновага (рис. 1.1). Атмосферне повітря містить трохи більше 0,03% двоокису вуглецю (12 мкМ / л). Фотосінтетіче кевкаючи ж продуктивність зелених рослин так велика, що запас С0 2 в атмосфері був би вичерпаний приблизно за 20 років. Це відносно короткий термін в людських масштабах часу, адже вважається, що запасів енергії та вугілля на Землі вистачить на термін від 1000 до 3000 років. Навіть якщо врахувати запаси С0 2 в океанах, то цього газу вистачило б лише приблизно на 2000 років.
Зеленим рослинам довелося б незабаром припинити фіксацію С0 2, якщо б нижчі тварини і мікроорганізми не забезпечили повернення цього газу в атмосферу в результаті безперервної мінералізації органічного матеріалу. У загальному балансі речовин на земній кулі грунтовим бактеріям і грибам належить не менша роль, ніж фо-тосінтезірующім зеленим рослинам. Взаємозалежність всіх живих істот на Землі знаходить найбільш яскраве вираження в круговороті вуглецю.
Рис. 1.1. Кругообіг вуглецю в біосфері.
Кругообіг азоту (рис. 1.2). Центральне місце в кругообігу азоту займає амоній. Він є продуктом розкладання білків та амінокислот, що потрапляють разом із залишками тваринного і рослинного походження в грунт.
У добре аерованих грунтах амоній піддається нітрифікації; бактерії пологів Nitrosomonas і Nitrobacter окис ляють його до нітриту і нітрату. Як джерело азоту рослини можуть використовувати і асимілювати як амоній, так і нітрат. За відсутності кисню з нітрату рбразуется молекулярний азот (денітрі-фікація). Бактерії, що беруть участь в цьому процесі, використовують при цьому нітрат в якості окислювача (акцептора водню), тобто ^ вместо 0 2 ; в этом случае говорят о «нитратном дыхании». «Дихають» за допомогою NO ^ замість 0 2; в цьому випадку говорять про «нітратної диханні». Денітрифікація веде до втрати азоту грунтом. Поряд з цим бактерії здатні і до фіксації молекулярного азоту. Зв'язують азот бактерії живуть або вільно в грунті (поза симбіозу), або в симбіозі з вищими рослинами (симбіотичні азотфіксаторів). Основну роль у кругообігу азоту поряд з тваринами і рослинами грають бактерії.
Рис. 1.2. Кругообіг азоту.
Кругообіг фосфору. У біосфері фосфор представлений майже виключно у вигляді фосфатів. У живих організмах фосфорна кислота існує у формі ефірів. Після відмирання клітин ці ефіри швидко розкладаються, що веде до звільнення іонів фосфорної кислоти. Доступною для рослин формою фосфору в грунті служать вільні іони ортофосфорної кислоти (Н 3 Р0 4). Їх концентрація часто дуже низька; ріст рослин, як правило, лімітується не загальним недоліком фосфату, а освітою малорозчинних його сполук, таких як апатит і комплекси з важкими металами. Запаси фосфатів в родовищах, придатних для розробки, великі, і в осяжному майбутньому виробництво сільськогосподарської продукції не буде обмежуватися недоліком фосфору, а проте фосфат повинен бути переведений у розчині рімую форму. У багатьох місцях фосфат з добрив потрапляє в проточні водойми та озера. Так як концентрація іонів заліза, кальцію і алюмінію у водоймах невисока, фосфат залишається в розчиненої формі, що призводить до Евтрофізація водойм, особливо сприятливою для розвитку азотфіксуючих ціанобактерій. У грунтах ж через утворення нерозчинних солей фосфати найчастіше швидко стають недоступними для засвоєння.
Кругообіг сірки (рис. 1.3). У живих клітинах сірка представлена головним чином сульфгідрильними групами в серусодержащих амінокислотах (цистеїн, метіонін, гомоцистеїн). У сухій речовині організмів частка сірки становить 1%. При анаеробному розкладанні органічних речовин сульфгідрильні групи відщеплюються десульфуразамі; освіта сірководню при мінералізації в анаеробних умовах називають також десульфурірованіем. Найбільші кількості зустрічається в природі сірководню утворюються, проте, при дисс-ляціонних відновленні сульфатів, здійснюваному сульфатредуці-ючий бактеріями.
) до серы и сульфата.
Цей сірководень, що утворюється під час відсутності молекулярного кисню в опадах водойм, може бути окислений анаеробними фото-трофнимі бактеріями (Chromatiaceae) до сірки і сульфату. Коли сірководень проникає в зони, що містять 0 2, він окислюється або абіотичних чином, або аеробними серобактериями до сульфату. Сірку, необхідну для синтезу серусодержащих амінокислот, рослини і частина мікроорганізмів отримують шляхом асиміляційну сульфатредукции; тварини ж отримують відновлені сполуки сірки з їжею.
Рис. 1.3. Кругообіг сірки.
19. Загальні принципи регуляції синтезу ферментів.
Регулювання кінцевим продуктом активності аллостеріческого ферменту певного биосинтетического шляху забезпечує миттєву реакцію, що приводить до зміни виходу цього продукту. Якщо останній виявляється непотрібним, відпадає потреба і у ферментах, що беруть участь в його синтезі. Проявом максимальної економічності клітинного метаболізму служать вироблені клітиною механізми, що регулюють її ферментний склад. Очевидна доцільність синтезу тільки тих ферментів, які необхідні в конкретних умовах. Показано, що у прокаріотів в одних умовах фермент може міститися в кількості не більше 1 - 2 молекул, в інших - становити кілька відсотків від клітинної маси.
Кількість певного ферменту в клітині може регулюватися на кількох рівнях: на етапі транскрипції, трансляції, а також у процесі складання і руйнування ферментного білка (див. рис. 28). В ієрархії регуляторних впливів найбільш складний механізм, що контролює кількість ферментів у клітині, пов'язаний з процесом транскрипції. Специфічні хімічні сигнали можуть ініціювати або блокувати транскрипцію певної ділянки ДНК в іРНК. У разі індукції утворена іРНК бере участь у певній послідовності реакцій, званої трансляцією і закінчується синтезом поліпептидних ланцюгів. Регулювання білкового синтезу на рівні трансляції може здійснюватися на будь-якому з її етапів, наприклад на етапі ініціації, елонгації та ін Не виключена також можливість зміни часу життя іРНК. під впливом різних ефекторів, в тому числі кінцевих продуктів метаболічних шляхів. Хоча механізми регуляції синтезу білка на рівні трансляції ще точно не встановлені, ясно, що на цьому етапі є широкі можливості для регулювання швидкості синтезу різних білків.
Відомо, що фермент може виконувати метаболічну функцію після придбання відповідної структури. Швидкість утворення структур вищого порядку також знаходиться під контролем певних молекул. Таким чином, контроль на рівні складання функціонально активного ферменту може відігравати суттєву роль у метаболічної регуляції. Нарешті, швидкість руйнування ферменту під впливом специфічних метаболічних сигналів буде також визначати його концентрацію в клітці.
Регуляція синтезу ферментів на етапі транскрипції заснована на тому, що "зчитування" бактеріальних генів відбувається вибірково і швидкість утворення копій відповідних іРНК (а звідси і подальша їх трансляція в білки) знаходиться під складною контрольним механізмом. Швидкість синтезу ферментів, що визначається цією стадією, може змінюватися в різному ступені. За цією ознакою всі ферменти діляться на два класи. Ферменти, синтез яких у зростаючій клітині відбувається з постійною швидкістю в результаті постійного транскрибування відповідних генів і, отже, вони присутні в клітці в більш-менш постійної концентрації, називаються конститутивними. До них відносяться, наприклад, гліколітичні ферменти. Метаболічні шляхи, що функціонують за участю конститутивних ферментів, контролюються за допомогою інших регуляторних впливів, наприклад аллостеріческого інгібування.
Крім цього в бактеріальних клітинах є ферменти, кількості яких можуть різко змінюватися в залежності від складу поживних речовин середовища. Це відбувається в результаті того, що гени, які детермінують ці ферменти, включаються або вимикаються у міру потреби. Їх називають індуцибельних. При відсутності в середовищі субстратів цих ферментів останні містяться в клітині в невеликій кількості. Якщо в середу додати речовина, що служить субстратом певного ферменту, відбувається швидке синтез цього ферменту в клітині, тобто має місце індукція синтезу ферменту. Якщо ж у живильному середовищі в готовому вигляді міститься речовина, що є кінцевим продуктом якого-небудь биосинтетического шляху, відбувається швидке припинення синтезу ферментів цього шляху. Це явище отримало назву репресії кінцевим продуктом. Ферменти, синтез яких пригнічується кінцевим продуктом, можуть бути дерепрессіровани, тобто швидкість їх синтезу перевищить звичайну, якщо концентрація кінцевого продукту впаде до дуже низького рівня. Дерепресія цих ферментів аналогічна явищу індукції.
Репресія кінцевим продуктом. Всі біосинтетичні шляхи знаходяться під контролем механізму репресії кінцевим продуктом. Точно так само освіту більшості анаболічних ферментів регулюється шляхом репресії їх синтезу. Репресія здійснюється особливими присутніми в клітці речовинами - репрессором. Факторами, модифікуючими активність репрессором, можуть бути кінцеві продукти біосинтетичних шляхів, а також проміжні продукти деяких катаболічних або амфіболічні шляхів.
Репресія може бути координованої, тобто синтез кожного ферменту даного шляху в однаковій мірі пригнічується кінцевим продуктом. Часто синтез ферментів одного шляху репресуються в різному ступені. У розгалужених біосинтетичних шляхах механізми репресії можуть бути модифіковані (як і механізми інгібування), щоб краще забезпечити регулювання кількох кінцевих продуктів із загального вихідного субстрату. Синтез багатьох ферментів у таких шляхах репресуються тільки при спільній дії всіх кінцевих продуктів. Якщо реакція на спільній ділянці розгалуженого шляху каталізується ізоферментами, синтез кожного з них знаходиться під контролем "свого" кінцевого продукту.
Механізм репресії кінцевим продуктом на рівні транскрипції став прояснюватися з 50-х рр.. Великий внесок до цього внесли роботи Ф. Жакоба та Ж. Моно. Було показано, що поряд зі структурними генами, що кодують синтез ферментів, в бактеріальному геномі існують спеціальні регуляторні гени. Один з них - ген-регулятор (ген R), функція якого полягає в регуляції процесу транскрипції структурного гена (або генів). Ген-регулятор кодує синтез специфічного аллостеріческого білка-репрессора, що має два центри зв'язування: один дізнається певну послідовність нуклеотидів на ділянці ДНК, званому оператором (ген О), інший - взаємодіє з ефекторів. Ген-оператор розташований поруч зі структурним геном (генами) і служить місцем зв'язування репрессора. На відміну від операторних генів гени-регулятори розташовані на деякій відстані від структурних генів (продукти регулярних генів - репрессора є вільно дифундують білковими молекулами).
Часто структурні гени, що відносяться до одного біохімічному шляху, об'єднані в групу, складову разом з оператором одиницю транскрипції та регулювання - оперон. Всі структурні гени, об'єднані в оперон, мають один операторний ділянку, локалізованої на краю оперона, і координування регулюються одним репрессором. Оперон представляє собою дуже раціональну та ефективну систему регуляції метаболічного шляху.
Індукція синтезу ферментів. У більшості випадків регуляція шляхом індукції характерна для катаболічних шляхів, де в якості індукторів виступають зазвичай субстрати цих шляхів. Класичний приклад індуцибельних ферменту - (3-галактозидаза Є. coli. Виявилось, що якщо клітини Є. coli вирощувати в середовищі, що містить глюкозу, то вони не можуть використовувати лактозу. Якщо такі клітини помістити в середовище, де лактоза - єдине джерело вуглецю, після деякого періоду в них відбувається інтенсивний синтез ферменту (3-галактозидази, що каталізує гідроліз лактози на D-глюкозу і D-галактозу. За допомогою цього ферменту Є. coli може тепер використовувати лактозу в якості єдиного джерела вуглецю. Якщо потім клітини, що ростуть на середовищі з лактозою, перенести на середу з глюкозою, синтез (3-галактозидази припиняється.
Вивчення індукції (3-галактозидази у Є. coli дозволило встановити, що ріст клітин на середовищі з лактозою відбувається не в результаті відбору мутантів, у яких здатність використовувати лактозу є наслідок мутації. Здатністю синтезувати цей фермент володіють всі клітини. Було також показано, що в процесі індукції відбувається не активування вже наявного в клітинах ферменту (З-галактозидази, а його синтез de novo з амінокислот.
20. Характеристика хімічного складу білків.
Вивчаючи хімічний склад білків, необхідно з'ясувати, по-перше, з яких хімічних елементів вони складаються, по-друге, - будова їх мономерів. Для відповіді на перше питання визначають кількісний і якісний склад хімічних елементів білка. Хімічний аналіз показав наявність у всіх білках вуглецю (50-55%), кисню (21-23%), азоту (15-17%), водню (6-7%), сірки (0,3-2,5%) . У складі окремих білків виявлені також фосфор, йод, залізо, мідь і деякі інші макро-і мікроелементи, у різних, часто дуже малих кількостях. Зміст основних хімічних елементів у білках може різнитися, за винятком азоту, концентрація якого характеризується найбільшою сталістю і в середньому становить 16%.
Крім того, вміст азоту в інших органічних речовинах мало. Відповідно до цього було запропоновано визначати кількість білка за входить до його складу азоту. Знаючи, що 1г азоту міститься в 6,25 г білка, знайдену кількість азоту множать коефіцієнт 6,25 і отримують кількість білка.
Для визначення хімічної природи мономерів білка необхідно вирішити два завдання: розділити білок на мономери і з'ясувати їх хімічний склад.
Розщеплення білка на його складові частини досягається за допомогою гідролізу - тривалого кип'ятіння білка з сильними мінеральними кислотами (кислотний гідроліз) або підставами (лужний гідроліз). Найбільш часто застосовується кип'ятіння при 110 градусах Цельсія з HCl протягом 24 ч. На наступному етапі поділяють речовини, що входять до складу гідролізату. Для цієї мети застосовують різні методи, найчастіше - хроматографію.
Головним частиною розділених гідролізатів виявляються амінокислоти. Білки є одними з чотирьох основних органічних речовин живої матерії (білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, жири), але за своїм значенням і біологічним функціям вони займають в ній особливе місце. Близько 30% всіх білків людського тіла знаходиться в м'язах, близько 20% - в кістках і сухожиллях і близько 10% - в шкірі.
Але найбільш важливими білками всіх організмів є ферменти, які, пестячи і присутні в їх тілі і в кожній клітці тіла у малій кількості, проте управляють поряд істотно важливих для життя хімічних реакцій.
21. Характеристика форм спокою у бактерій.
Добре відомо, що при попаданні в несприятливі умови, багато бактерії здатні переходити в покоїться стан. Цей стан характеризується різким зниженням метаболічної, активності і повним »відсутністю поділу. Раніше покоїться стан мікроорганізмів пов'язували тільки зі спеціалізованими формами (спорами і цистами), утвореними обмеженим числом бактерій. Однак зараз стає ясно, що багато неспорулірующіе; бактерії, в тому числі і патогенні мікроорганізми, в певних умовах можуть переходити в покоїться стан, залишаючись при цьому життєздатними. Під. почилих станом 'ми розуміємо таке, оборотний стан бактеріальної клітини, при якому рівень метаболічної активності значно знижений, а клітка може існувати в такому стані без поділу тривалий время.Такіе покояться клітини, як правило, змінюють свою форму, утолщают клітинну стінку і стають менш чутливими : до агресивних зовнішніх впливів. І; хоча звичайні мікробіологічні: методи часто не можуть виявити мікроорганізми, що знаходяться в спочиваючому стані, такі бактерії при настанні сприятливих умов здатні продовжити зростання.
До недавнього часу існування спочиваючого стану для мікобактерій in vitro або in vivo не було встановлено, хоча для ряду інших неспорулірующіх бактерій перехід в покоїться стан експериментально встановлено.
Основні ознаки анабіотичного або покоїться стану: 1) відсутність або гранично загальмований метаболізм, 2) збереження структури протягом тривалого часу, 3) відсутність у рідкій фазі помітних кількостей вільної води як безперервної середовища, 4) підвищена стійкість проти екстремальних факторів неделящейся, 5) здатність відновлювати процеси життєдіяльності.
Очевидно, що перехід у покоїться стан може відбуватися під впливом різних факторів і поряд з універсальними рисами володіти якимись особливостями та унікальними механізмами регуляції.
Кейлін об'єднав під назвою гіпобіоз будь неактивне неделящейся стан життєздатного організму. У свою чергу, гіпобіоз включає гіпометаболізм і аметаболізі (або латентну життя). Гіпометаболізм характеризується вкрай низькими, але все ж вимірюваними, метаболічними активностями, прикладом його служити зимова сплячка тварин. Аметаболізм - повна відсутність будь-якого метаболізму, наприклад, в суперечках.
Для бактерій виділяють конститутивний (ендогенне) і екзогенне покояться стану. Спеціалізовані покояться форми мікроорганізмів, такі як суперечки і цисти, відносяться до першого стану. Екзогенне стан спокою настає під дією несприятливих факторів, при цьому вегетативні неспорулірующіе бактерії можуть переходити у неактивний стан.
22. Характеристика водорозчинних вітамінів
Тіамін (вітамін В,)
Рибофлавін (вітамін В 2)
Пантотенова кислота (вітамін В 3)
Нікотинова кислота (вітамін В 5, РР)
Піридоксин (вітамін В 6)
Ціанкобаламін (вітамін В 12)
Пангамовая кислота (вітамін В 15)
Аскорбінова кислота (вітамін С)
Цитрин (вітамін Р)
Біотин (вітамін Н)
Парааминобензойная кислота Фолієва кислота
-Метилметионин (витамин U )
Інозит S-Метілметіонін (вітамін U)Характерним для цієї групи вітамінів є хороша розчинність у воді й нерозчинність в жирах і органічних розчинниках.
Як правило, вітаміни, розчинні у воді, містяться в продуктах рослинного походження; більшість із них у своєму складі містить азот. На відміну від жиророзчинних вітамінів вони не накопичуються в тваринному організмі і виявляють свою біологічну дію, входячи до складу ферментів.
Вітамін В, (тіамін) є першим вітаміном, хімічний склад якого був детально вивчений. Назва "тіамін" він отримав завдяки наявності в його молекулі сірки та азоту:
Відсутність в їжі вітаміну В, викликає важке захворювання поліневрит, або бери-бери, поширене в країнах, де основним продуктом харчування населення служить полірований рис.
По хімічній природі вітамін В 2 являє собою похідне азотистого підстави - ізоаллоксазіна, пов'язане із залишком спирту - рібітола:
При відсутності вітаміну В 2 у тварин спостерігається затримка росту, у людини - випадання волосся. Характерною ознакою авітамінозу В 2 є захворювання очей, що супроводжується вас-кулярізаііей рогівки (проростання кровоносними судинами). Потім відбувається запалення рогівки і помутніння кришталика.
Вітамін В3 (пантотенова кислота). При вивченні умов, необхідних для росту дріжджів, в рисових висівках було відкрито речовина, яке виявилося фактором росту. — везде присутствующий).
Воно було названо пантотенової кислотою (від грец. Pamothen - скрізь присутній). Таку назву вітамін В 3 отримав за своє широке поширення в природі.
Відсутність пантотенової кислоти в їжі викликає ряд розладів в організмі людини: порушується діяльність серця, нервової системи, нирок, травного каналу, розвиваються дерматити, знебарвлюються волосся, знижується апетит і т. д.
Вітамін В 5, РР (нікотинова кислота).
Біологічне значення вітаміну РР заключается'в тому, що він є складовою частиною коферментів НАД і НАДФ. Останні входять до складу багатьох дегідрогеназ - ферментів, що каталізують реакції біологічного окислення. Цю функцію ферменти (їх відомо близько 100) виконують завдяки наявності в складі їх молекул вітаміну РР, здатного оборотно приєднувати атоми водню.
Вітамін В 6 (піридоксин).
Біологічною активністю володіють піридоксаль і піридоксамін, які утворюються з пірідоксол, який у зв'язку з цим можна розглядати скоріше як провітамін В 6.
В організмі піридоксаль і піридоксамін легко перетворюються в фосфорильованих форму, утворюючи піридоксальфосфат та пі-рідоксамінфосфат:
Біологічна роль вітаміну В 6 полягає в тому, що він є коферментом так званих трансаміназ або трансфераз-феразим. Це ферменти, які беруть участь у білковому обміні, в реакціях перетворень а-амінокислот.
Вітамін В 12 (ціанокобаламін).
Слід підкреслити, що ціанкобаламін - єдиний відомий в даний час вітамін, який містить у "своїй молекулі метал і практично не утворюється ні в рослинах, ні в тканинах тварин.
Вітамін В 12 синтезується головним чином мікроорганізмами, в тому числі живуть у кишках людини. Дуже багаті цим вітаміном стоячі і стічні води, грунт, мул. Живучи в них анаеробні бактерії відрізняються високим вмістом вітаміну В 12.
Вітамін В і (пангамовая кислота) належить до числа недавно відкритих вітамінів. -глюконовой и диметила-миноуксусной кислот:
За хімічною будовою пангамовая кислота являє собою ефір D-глюконової і диметил-міноуксусной кислот:
Вітамін С (аскорбінова кислота). За своєю хімічною будовою аскорбінова кислота близька до вуглеводів гексоз.
23. Характеристика жиророзчинних вітамінів. Їх значення.
Ретіноли і каротиноїди (вітаміни групи А)
)
Кальциферол (вітаміни групи D)Токофероли (вітаміни групи Е)
Філохінон (вітаміни групи К)
Жиророзчинні вітаміни нерозчинні у воді, але розчиняються в органічних розчинниках. Вони термостабільні, стійкі до зміни рН середовища. Особливістю всіх жиророзчинних вітамінів є їх здатність всмоктуватися в кишках тільки в присутності жирів, а також іноді накопичуватися в організмі у великих кількостях, викликаючи гіпервітамінозу.
Жиророзчинні вітаміни виконують ряд функцій: сприяють формуванню, росту і розвитку ембріонів, утворення і регенерації кісток і епітеліальних тканин, згортання крові.
З хімічної точки зору вони імеют.одну загальну особливість: до складу їх молекули входять будівельні блоки изопренового типу, що найбільш яскраво виражено в молекулах вітамінів А, Е і К, які складені з ізопрена одиниць
Вітамін А міститься тільки в тваринних тканинах. Рослини позбавлені цього вітаміну, проте вони утримують групу речовин, які в організмі ссавців служать попередниками вітаміну А - каротиноїди. Вони досить широко поширені в природі. Каротинами багатий стручковий перець, червона і кормова морква, зелений конюшина, абрикоси.
Розрізняють а-, р-і у-каротини, серед яких найбільш цінними в біологічному відношенні є Р-каротини.
До групи вітаміну А входить кілька вітамінів, основним з яких є вітамін А, (ретинол):
.
Вітамін D. ( D 2 , D 3 , D 4 , D 5 , D 6 , D 7 ), имеющих сходное строение. Відомо кілька вітамінів групи D (D 2, D 3, D 4, D 5, D 6, D 7), що мають подібну будову. 2 (эргокальциферол) и D 3 (холекальциферол). Найбільшою біологічною активністю володіють вітаміни D 2 (ергокальциферол) і D 3 (холекальциферол). содержатся главным образом в организме человека и животных. Вітаміни групи D містяться головним чином в організмі людини і тварин.
не ограничивается только регулированием обмена кальция и фосфора, а более многогранна.
Останнім часом отримано багато даних, що свідчать про те, що функція вітаміну D не обмежується тільки регулюванням обміну кальцію і фосфору, а більш багатогранна. активирует деятельность фермента щелочной фос-фатазы в очагах окостенения и тем самым способствует образованию костной ткани. Вітамін D активує діяльність ферменту лужної фос-фатази в осередках окостеніння і тим самим сприяє утворенню кісткової тканини.оказывает стимулирующее действие на синтез белка, связывающего кальций, и ДНК-зависимый синтез РНК, что положительно отражается на биосинтезе белков-переносчиков, ответственных за всасывание кальция.
Вітамін D має стимулюючу дію на синтез білка, що зв'язує кальцій, і ДНК-залежний синтез РНК, що позитивно відбивається на біосинтезі білків-переносників, відповідальних за всмоктування кальцію. Він сприяє реабсорбції фосфатів, амінокислот та іонів Са 2 + з первинної сечі в плазму крові, посилює реакції окислення вуглеводів, піровиноградної кислоти, а також прискорює реакції циклу трикарбонових кислот.Вітамін Е представлений цілою групою вітамінів, що містяться у великих кількостях в рослинних оліях і званих токоферолами. Відсутність цих вітамінів в їжі негативно позначається на здатності організму до розмноження. Тому вітамін Е називається також антістерільним вітаміном, або вітаміном розмноження.
Найбільш високою біологічною активністю володіє а-токоферол наступного будови:
а-Токоферол - тріметілгідрохінон, з'єднаний із залишком спирту фитола. В даний час відомо кілька вітамінів групи К. Всі вони володіють схожою структурою і загальною назвою - філлохинон. Найбільш активним з цієї групи є вітамін К,, виділений з люцерни:
24. Особливості будови і значення нуклеїнових кислот
Нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК) відносяться до складних високомолекулярних сполук, складаються з невеликого числа індивідуальних хімічних компонентів більш простої будови. Так, при повному гідролізі нуклеїнових кислот (нагрівання в присутності хлорної кислоти) в гідролізаті виявляють пуринові і піримідинові підстави, вуглеводи (рибоза і дезоксирибоза) і фосфорну кислоту:
У молекулі ДНК вуглевод представлений дезоксирибози, а в молекулі РНК - рибоза, звідси їх назви: дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК) кислоти. Крім того, вони містять фосфорну кислоту, по два пуринових і по два піримідинових підстави; відмінності тільки в піримідинових підставах: у ДНК міститься тимін, а в РНК - урацил. У складі ДНК і РНК відкриті так звані мінорні (екзотичні) азотисті основи (будову деяких з них наводиться далі).
Вуглеводи (рибоза і дезоксирибоза) у молекулах ДНК і РНК знаходяться в β-D-рібофуранозной формі:
У складі деяких фагових ДНК виявлена молекула глюкози, яка з'єднується глікозидної зв'язком з 5-оксіметілцітозіном.
Основу структури пуринових і піримідинових основ складають два ароматичних гетероциклічних з'єднання - піримідин і пурин:
Молекула пурину складається з двох конденсованих кілець: піримідину та імідазолу.
У складі нуклеїнових кислот зустрічаються три головних піримідинових підстави: цитозин, урацил і тимін.
Крім головних піримідинових основ, у складі нуклеїнових кислот відкриті мінорні піримідинові підстави, 5-метил-і 5-окси-метилцитозин, дігідроураціл, псевдоураціл, 1-метилурацил, оротовая кислота, 5-карбоксіураціл, 4-тиоурацил та ін Забігаючи трохи наперед, вкажемо, що тільки для тРНК список мінорних підстав наближається до 50. На частку мінорних підстав припадає до 10% всіх нуклеотидів тРНК, що має, очевидно, важливий фізіологічний сенс (захист молекули РНК від дії гідролітичних ферментів). Структурні формули ряду мінорних піримідинових основ представлені у формі нуклеозидів - сполук з вуглеводним компонентом:
Два пуринових підстави, постійно зустрічаються в гидролизатах нуклеїнових кислот, мають наступну будову:
До мінорним нуклеозидами пуринового ряду, що виявляється у складі ДНК і РНК, відносяться інозин, N 6-метіладенозін, N 2-метілгуанозін, ксантин, гіпоксантин, 7-метілгуанозін та ін
Одним з важливих властивостей вільних азотистих основ (що містять оксигрупп) є можливість їх існування у двох таутомерних формах, зокрема лакто-і лактамной формах, в залежності від значення рН середовища: при рН 7,0 вони представлені в лактамной формі, при зниженні величини рН - у лактімной формі. Таутомерних перетворення можна представити на прикладі урацилу.
Виявилося, що в складі природних нуклеїнових кислот всі оксіпроіз-водні пуринів і піримідинів знаходяться в лактамной формі.
Про локалізації та кількісний вміст нуклеїнових кислот в клітинах отримані певні дані. Доведено, що кількісний вміст ДНК в клітинах одного і того ж організму відрізняється дивовижною постійністю і обчислюється кількома пікограмів, однак у клітинах різних видів живих організмів є істотні кількісні відмінності у змісті ДНК. Добре відомо також, що ДНК переважно зосереджена в ядрі, а в мітохондріях і хлоро-пластах міститься тільки невеликий відсоток клітинної ДНК. Про кількість РНК немає точних даних, оскільки зміст її в різних клітинах в значній мірі визначається інтенсивністю синтезу білка. На частку РНК припадає близько 5-10% від загальної маси клітини. Сучасна класифікація різних типів клітинної РНК грунтується на даних топографії, функції і молекулярної маси. Виділяють три головні види РНК: матричну (інформаційну) - мРНК, яка складає 2-3% від усієї клітинної РНК; рибосомну - рРНК, складову 80-85% і транспортну - тРНК, якій близько 16%. Ці 3 види розрізняються нуклеотид-ним складом та функціями.
Матрична РНК (мРНК) синтезується в ядрі на матриці ДНК, потім надходить у рибосому, виконуючи матричну функцію при синтезі білка. За припущенням акад. А.С. Спіріна, часто мРНК при надходженні з ядра в цитоплазму утворює зі специфічними РНК-свя-викликають білками комплекси - так звані інформосоми, здатні до оборотної дисоціації. Інформосоми розглядаються як транспортна форма мРНК, що сприяє утворенню полірібосом в цитоплазмі. Транспортні РНК (тРНК) мають невелику молекулярну масу і містяться в розчинній фракції цитоплазми, виконуючи функцію переносу амінокислот до місця білкового синтезу - рибосоме. Рибосом-ні РНК (рРНК), як видно з даних табл. 3.1, мають різну й значно більшу молекулярну масу. Вони локалізуються у двох субчастинка рибосом 50S і 30S у Е.coli і 60S і 40S в клітинах тварин (табл. 3.2).
Субчастинка 60S містить три різних рРНК (5S, 5,8 S і 28S рРНК), в той час як субчастинка 40S - одну молекулу 18S рPHK. Детально роль рРНК у білковому синтезі поки не з'ясована.
Для розуміння низки особливостей структури ДНК важливе значення мали закономірності складу і кількісного вмісту азотистих основ, встановлені вперше Е. Чаргаффом. Виявилося, що азотисті основи ДНК зазвичай варіюють у різних видів організмів, проте майже не зазнають змін у одного і того ж виду в процесі розвитку або в залежності від змін навколишнього середовища або характеру харчування. Показано також, що ДНК, виділена з різних тканин одного і того ж виду, має однаковий склад азотистих основ. Отримані кількісні співвідношення були названі правилами Чар-Гаффі. При аналізі складу очищеної ДНК, виділеної з різних джерел, були зроблені наступні висновки:
1) молярна частка пуринів дорівнює молярної частки піримідинів:
2) кількість аденіну та цитозину дорівнює кількості гуаніну та тиміну:
3) кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну дорівнює кількості цитозину: А = Т і Г = Ц; відповідно
4) істотним для характеристики виду (таксономічне значення) виявився так званий коефіцієнт специфічності, що відображає відношення
Це ставлення часто виражають у молярних відсотках (Г + Ц), або відсотках ГЦ-пар. Для тварин і більшості рослин цей коефіцієнт нижче 1 (від 0,54 до 0,94), у мікроорганізмів він коливається в значних межах (від 0,45 до 2,57).
Література
Прокаріотичні і еукаріотичні клітини (Т. А. Козлова, В. С. Кучменко. Біологія в таблицях. М., 2000).
Б. Албертс, Д. Брей, Дж.Льюісу, М. Рефф, К. Робертс, Дж.Уотсон. "Молекулярна біологія клітини", 2-е видання, "Світ", 1994.
С. Бейкер. Камінь преткновенія.Верна чи теорія еволюції? - М., «Протестант», 1992.
Гілберт С. Біологія розвитку 3 томах., "Світ", 1993р.
Грін М., Стаут У., Тейлор Д., Біологія 3 томи, М, "Світ", 1990р.
Дубінін Н.П. Нове в сучасної генетики М, "Наука", 1989р.
1
2