Реферат: Физиология и генетика микроорганизмов

Выход веществ из клетки осуществляется за счет диффузии и при участии транспортных систем.

Ферменты бактерий . Ферменты распознают соответствующие им метаболиты (субстраты Х вступают с ними во взаимодействие и ускоряют химические реакции. Ферменты являются белками, участвуют в процессах анаболизма (синтеза) и катаболизма (распада), т.е. метаболизма. Многие ферменты взаимосвязаны со структурами микробной клетки. Например, в цитоплазматической мембране имеются окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в дыхании и делении клетки: ферменты, обеспечивающие питание клетки, и др. Окислительно-восстановительные ферменты цитоплазматической мембраны и ее производных обеспечивают энергией интенсивные процессы биосинтеза различных структур, в том числе клеточной стенки. Ферменты, связанные с делением и аутолизом клетки, обнаруживаются в клеточной стенке. Так называемые эндоферменты катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки. Экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду, расщепляя макромолекулы питательных субстратов до простых соединений, усваиваемых клеткой в качестве источников энергии, углерода и др. Некоторые экзоферменты (пенициллиназа и др.) инактивируют антибиотики, выполняя защитную функцию.

Различают конститутивные и индуцибельные ферменты. К констиутивным ферментам относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно, вне зависимости от наличия субстратов в питательной среде. Индуцибельные (адаптивные) ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента.

Ферменты микроорганизмов используют в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы и др.) для получения биологически активных соединений, уксусной, молочной, лимонной и других кислот, молочнокислых продуктов, в виноделии и других отраслях. Ферменты применяют в качестве биодобавок в стиральные порошки для уничтожения загрязнений белковой природы.

Дыхание бактерий

Дыхание, или биологическое окисление, основано на окислительно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ- универсального аккумулятора химической энергии. Энергия необходима микробной клетке для ее жизнедеятельности. При дыхании происходят процессы окисления и восстановления: окисление — отдача донорами (молекулами или атомами) водорода или электронов; восстановление — присоединение водорода или электронов к акцептору. Акцептором водорода или электронов может быть молекулярный кислород (такое дыхание называется аэробным) или нитрат, сульфат, фумарат (такое дыхание называется анаэробным — нитратным, сульфатным, фумаратным). Анаэробиоз (от греч. аег — воздух + bios — жизнь) — жизнедеятельность, протекающая при отсутствии свободного кислорода. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление органических соединений, преимущественно углеводов, в анаэробных условиях. С учетом конечного продукта расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и другие виды брожения.

По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы: облигатные, т.е. обязательные, аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы. Облигатные аэробы могут расти только при наличии кислорода. Облигатные анаэробы (клостридии ботулизма, газовой гангрены, столбняка, бактероиды и др.) растут только на среде без кислорода, который для них токсичен. При наличии кислорода бактерии образуют перекисные радикалы кислорода, в том числе перекись водорода и супероксид-анион кислорода, токсичные для облигатных анаэробных бактерий, поскольку они не образуют соответствующие инактивирующие ферменты. Аэробные бактерии инактивируют перекись водорода и супероксидантом соответствующими ферментами (каталазой, пероксидазой и супероксиддисмутазой). Факультативные анаэробы могут расти как при наличии, так и при отсутствии кислорода, поскольку они способны переключаться с дыхания в присутствии молекулярного кислорода на брожение в его отсутствие. Факультативные анаэробы способны осуществлять анаэробное дыхание, называемое нитратным: нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака.

Среди облигатных анаэробов различают аэротолерантные бактерии, которые сохраняются при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.

Для выращивания анаэробов в бактериологических лабораториях применяют анаэростаты — специальные емкости, в которых воздух заменяется смесью газов, не содержащих кислорода. Воздух можно удалять из питательных сред путем кипячения, с помощью химических адсорбентов кислорода, помещаемых в анаэростаты или другие емкости с посевами.

Размножение бактерий

Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом и размножением. Под ростом часто понимают также увеличение числа особей в единице объема среды, что, однако, правильнее отнести к размножению бактерий в популяции. Рост можно регистрировать визуально под микроскопом, на экране, на серийных фотоснимках и в окрашенных препаратах.Темп и характер роста у бактерий разной формы отличаются. У палочковидных бактерий стенка и масса растут равномерно, у шаровидных бактерий — неравномерно: масса пропорционально кубу, а стенка — пропорционально квадрату радиуса клетки. Поэтому кокки вначале растут быстро, а затем увеличение их массы сдерживается отставанием роста стенки.

Размножение — самовоспроизведение, приводящее к увеличению количества бактериальных клеток в популяции. Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам, реже путем почкования. Делению клеток предшествует репликация бактериальной хромосомы по полуконсервативному типу (двуспиральная цепь ДНК раскрывается и каждая нить достраивается комплементарной нитью), приводящая к удвоению молекул ДНК бактериального ядра — нуклеоида. Репликация хромосомной ДНК осуществляется от начальной точки. Хромосома бактериальной клетки связана в области оп с цитоплазматической мембраной. Репликация ДНК катализируется ДНК-полимеразами. Сначала происходит раскручивание (деспирализация) двойной цели ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка (разветвленные цепи); одна из цепей, достраиваясь, связывает нуклеотиды от 5'- к 3' - концу, другая — достраивается посегментно.

Репликация ДНК происходит в три этапа: инициация, элонгация, или рост цепи, и терминация. Образовавшиеся в результате репликации две хромосомы расходятся, чему способствует увеличение размеров растущей клетки: прикрепленные к цитоплазматичеекой мембране или ее производным (например, мезосомам) хромосомы по мере увеличения объема клетки удаляются друг от друга. Окончательное их обособление завершается образованием перетяжки или перегородки деления. Клетки с перегородкой деления расходятся в результате действия аутолитических ферментов, разрушающих сердцевину перегородки деления. Аутолиз при этом может проходить неравномерно: делящиеся клетки в одном участке остаются связанными частью клеточной стенки в области перегородки деления, такие клетки располагаются под углом друг к другу.

3. Наследственность и генетические рекомбинации у бактерий

Преимущество микроорганизмов над другими организмами состоит, прежде всего, в высокой скорости размножения, гаплоидности и большой разрешающей способности методов генетического анализа этих организмов. Формирование на питательных средах многомиллиардных популяций бактерии в течение суток позволяет проводить быстрый и точный анализ происходящих в них количественных и качественных изменений. Сравнительная простота постановки эксперимента обусловливает эффективность селективного анализа микробной популяции и выделение единичных особей, мутировавших с частотой 10 и выше. Наконец, гаплоидность бактерий, имеющих в отличие от эукариотов одну хромосому, т.е. одну группу сцепления генов, обусловливает отсутствие у них явление доминантности, что способствует быстрому выявлению мутировавших генов.

Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства всех организмов, в том числе бактерий и вирусов, является хромосома, представляющая собой огромную молекулу ДНК в виде двойной спирали, замкнутой в кольцо. Она и является носителем генетической информации. Вдоль хромосомы линейно располагаются генифунхционально неоднородные генетические детерминанты, т.е. фрагменты молекулы ДНК", контролирующие синтез одного белка или пептида. Совокупность генов, локализованных в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом данного организма, называется геномом или генотипом. В более широком смысле генотип - совокупность всех наследственных факторов организма, как ядерных (геном), так и неядерных, вне хромосомных (пластидные и цитоплазматические) наследственных факторов. Генотип - носитель наследственной информации, передаваемой от поколения к поколению. Он представляет собой систему, контролирующую фенотип организма. Фенотипом является внешний вид организма со всеми внешними и внутренними признаками. Фенотип бактерий есть результат взаимодействия ее генотипа и среды. Появление в организме новых наследственно передаваемых свойств может быт вызвано разными типами изменений в генетическом аппарате. Источником последовательной изменчивости могут быть мутации генов. Под мутацией понимают внезапные естественные (спонтанные) или вызванные искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследственных структур (генов, хромосом), а также обусловленные ими различные изменения свойств и признаков организма. При этом в двойной спирали ДНК могут происходить следующие изменения:

- замещение пары оснований, имевшихся в исходной молекуле ДНК другой парой;

- выпадение пары оснований из молекулы ДНК;

- внедрение новой пары оснований в молекулу ДНК;

- инверсия - поворот нескольких пар оснований на 180 ° С.

Таким образом, в основе мутации лежат молекулярные изменения в хромосоме. Мутации у бактерий выявляются при наследственных изменениях любого признака микроба. Классифицируют мутации по происхождению, локализации на хромосоме клетки и другим признакам. Подобное деление носит условный характер. К спонтанным мутациям относят такие мутации, причину возникновения которых трудно и даже невозможно связать с действием определенного фактора (мутагена). Они образуются самопроизвольно в любой популяции микроорганизмов без видимого внешнего воздействия. Спонтанные мутанты образуются до воздействия селекционирующих факторов, которые лишь отбирают признаки, сформировавшиеся в популяции мутировавших бактериальных клеток. Так, например, антибиотикорезистентные клетки просуществуют в чувствительной бактериальной популяции, а не образуются в результате воздействия на нее соответствующего антибиотика. Последний только селекционирует резистентные особи, создавая условия для их размножения. Индуцирующие мутации возникают в результате обработки микроорганизмов мутагенными агентами (ультрафиолетовые и рентгеновые лучи, быстрые нейтроны и протоны, действие температуры, кислоты, щелочи, красители, соли металлов и др.)

Разные мутагены отличаются по активности и механизму действия. Одни вызывают изменения числа и структуры хромосом, другие изменяют последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК.

Мутагены используются в селекции сельскохозяйственных растений и микроорганизмам с целью получения продуктивных и полезных форм.

Микроорганизмам, как и высшим организмам, свойственны генетические рекомбинации.

Рекомбинация - это перегруппировка генетического материала (ДНК) родительских генетических структур (хромосом, плазмид и др.), приводящая к появлению новых сочетаний генов у потомства. Основной механизм рекомбинации - кроссинговер- перекрест хромосом, при котором происходит разрыв участков двух генетических структур, их обмен и воссоединение. У микроорганизмов рекомбинация осуществляется в результате обмена участками двух молекул ДНК, либо их фрагментом. Генетические рекомбинации возникают в результате комплексных процессов, они могут захватывать большие участки хромосомы или происходить в пределах отдельных генов. Существуют специальные гены, детерминирующие рекомбинационную способность клеток - реципиентов.

Передача генетического материала от одних бактерий к другим осуществляется путем трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация бактерий - передача наследственных свойств от одних бактерий к другим при помощи экстрагированной ДНК, без прямого контакта клеток донора и реципиента и без участия бактериофага. Явление трансформации установлено у многих бактерий (пневмококки, анаэробы и др.). История открытия феномена трансформации связана с исследованием Ф. Гриффитса (1928 г.), который описал превращение бескапсульного авирулентного пневмококка в капсульный вирулентный вариант. В процессе трансформации различают пять стадий:

1. Адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки;

2. Проникновение ДНК в клетку реципиента;