Предмет, задачи и методы микробиологии
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
Структурная организация и метаболизм бактерий.Предмет и методы микробиологии. Особенности строения прокариот. Основные типы питания. Фотосинтез, аэробное и анаэробное дыхание, брожение. Рост и размножение бактерий.
Распространение и роль микроорганизмов в природе.Влияние внешних условий на жизнедеятельность микроорганизмов. Микрофлора почвы.Участие микроорганизмов в биологическом круговороте углерода и азота. Взаимоотношения между почвенными микроорганизмами, микроорганизмами и высшими растениями.
Тема 1 Особенности строения прокариот
1. Предмет, задачи и методы микробиологии
2. Строение клеток бактерий
Предмет, задачи и методы микробиологии
Микробиология – это наука, предметом изучения которой являются микроскопические существа, называемые микроорганизмами или микробами, их биологические признаки, систематика, экология, взаимоотношения с другими организмами, населяющими нашу планету, животными, растениями и человеком. В область интересов микробиологии входит их систематика, морфология, физиология, биохимия, эволюция, роль в экосистемах, а также возможности практического использования.
Разделы микробиологии: бактериология, микология, вирусология и т.д. В зависимости от экологических особенностей микроорганизмов, условий их обитания, сложившихся отношений с окружающей средой, и в зависимости от практических потребностей человека, наука о микробах в своем развитии дифференцировалась на такие специальные дисциплины как общая микробиология, медицинская, промышленная (или техническая), космическая, геологическая, сельскохозяйственная и ветеринарная микробиология.
К методам исследования любых микроорганизмов относятся:
· микроскопия: световая (в том числе фазово-контрастная, темнопольная, флуоресцентная) и электронная;
· культуральный метод (бактериологический, вирусологический);
· биологический метод (заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях);
· молекулярно-генетический метод (ПЦР, ДНК- и РНК-зонды и др.);
· серологический метод – выявления антигенов микроорганизмов или антител к ним.
За время существования микробиологии сформировались общая, техническая, сельскохозяйственная, ветеринарная, медицинская, санитарная ветви.
Общая микробиология изучает наиболее общие закономерности, свойственные каждой группе перечисленных микроорганизмов: структуру, метаболизм, генетику, экологию и т. д.
Техническая занимается разработкой биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически активных веществ: белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, спиртов, ферментов, а также редких неорганических соединений.
Сельскохозяйственная и лесная исследует роль микроорганизмов в круговороте веществ, использует их для синтеза удобрений, борьбы с вредителями.
Ветеринарная изучает возбудителей заболеваний животных, методы диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения, направленного на уничтожение возбудителя инфекции в организме больного животного.
Медицинская микробиология изучает болезнетворные (патогенные) и условно-патогенные для человека микроорганизмы, а также разрабатывает методы микробиологической диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения вызываемых ими инфекционных заболеваний.
Санитарная микробиология изучает санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды, пищевых продуктов и напитков, и разрабатывает санитарно-микробиологические нормативы и методы индикации патогенных микроорганизмов в различных объектах и продуктах.
Особенности строения прокариот. Прокариоты или доядерные – одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Для клеток прокариот характерно отсутствие ядерной оболочки, ДНК упакована без участия гистонов. Тип питания осмотрофный и автотрофный (фотосинтез и хемосинтез). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов – линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зеленые водоросли), и археи. Прокариоты разделяют на два надцарства: Бактерии (Bacteria) и Археи (Archaea).
Основные различия прокариот и эукариот:
· У эукариот генетический материал локализован в структурно оформленном ядре. У прокариот наследственный материал представлен клубком двойной спиральной нити ДНК и не отделён от цитоплазмы какой-либо мембраной.
· У прокариот, в отличие от эукариот, отсутствуют внутриклеточные органеллы, имеющие хотя бы элементарную мембрану.
· У прокариот рибосомы имеют меньший размер.
· Клеточная стенка прокариот содержит специальный полимер пептидогликан, которого нет у эукариот.
· Жгутики прокариот состоят из одной или нескольких фибрилл, а у эукариот каждый жгутик состоит из микротрубочек – 9 по периметру и 2 в центре.
· Многие прокариоты способны фиксировать молекулярный азот, эукариоты этим свойством не обладают.
Прокариотические клетки состоят из поверхностного аппарата и цитоплазмы. В состав поверхностного аппарата обычно входят плазматическая мембрана и клеточная стенка, но у некоторых прокариот клеточная стенка может отсутствовать. Как дополнительные элементы поверхностного аппарата у прокариот могут быть бактериальные жгутики, слизистые капсулы и разнообразные выросты плазматической мембраны.
Цитоплазма прокариот представлена полужидким цитозолем, в котором расположены одиночные рибосомы, и нуклеоидом (кольцевой молекулой ДНК). Мембранные органеллы в цитоплазме отсутствуют, но плазматическая мембрана клетки может образовывать впячивания, которые выполняют различные функции. Средний размер клеток прокариот – от 0,1 до 10 мкм. Подавляющее большинство прокариот является одноклеточными организмами. Они могут образовывать агрегаты из нескольких клеток, окруженных общей слизистой капсулой, но это просто колонии. Лишь некоторых из них, например нитчатые цианобактерии и актиномицеты, можно назвать многоклеточными. Размножаются прокариоты путем деления. Как правило, темпы их размножения очень высоки.
Строение клеток бактерий
Большинство бактерий является одноклеточными организмами. Эволюция выработала у них такие адаптивные механизмы, которые позволяют каждой отдельной клетке осуществлять все необходимые жизненные функции, рост, развитие и размножение.
Бактериальная клетка содержит до 80 % воды. Остальная часть представлена белками, полисахаридами, липидами, нуклеиновыми кислотами. В сухом веществе клетки они соответственно составляют в среднем 52, 18 и19 %.
Цитоплазму, окруженную мембраной, называют протопластом. Снаружи от ЦПМ располагаются поверхностные структуры прокариотной клетки: клеточная стенка, слизистые капсулы или чехлы, жгутики, ворсинки.
В связи с особенностями строения клеточной стенки бактерии делят на грамположительные и грамотрицательные. Название происходит от способа окрашивания, предложенного датским ученым Х. Грамом: фиксированные клетки бактерий обрабатывают сначала реактивом кристаллическим фиолетовым, затем йодом, вследствие чего появляется специфическое окрашивание. При последующей обработке этиловым спиртом у одних бактерий окрашивание исчезает – это грамотрицательные бактерии. Другие бактерии сохраняют окрашенный комплекс, поэтому получили название грамположительных бактерий.
Клеточная стенка прокариот устроена очень сложно. Основная масса клеточной стенки грамположительных бактерий состоит из гетерополимерного соединения – пептидогликана. Наряду с пептидогликаном в клеточной стенке грамположительных бактерий содержатся полимерные соединения – тейхоевые кислоты, в молекулы которых входит спирт рибит или глицерин. Кроме того, в клеточной стенке этих бактерий в небольших количествах представлены полисахариды, белки и липиды. Все три класса соединений, образующих клеточную стенку, связаны между собой ковалентными связями и представляют собой очень прочную упорядоченную структуру.
Клеточная стенка у грамотрицательных бактерий устроена еще более сложно. Она состоит из нескольких слоев: внутренний тонкий слой образован пептидогликаном, наружный слой представляет собой мембрану, состоящую из белков, липидов и полисахаридов. Между ними, в периплазматическом пространстве, расположен рыхлый слой белков.
Некоторые бактерии имеют отличия в строении клеточной стенки (метанообразующие, галофильные), другие не имеют ее вовсе (микоплазмы).
Клеточная стенка выполняет ряд физиологических функций: механическую; защитную; транспортную; служит местом локализации ряда веществ, например ферментов у грамотрицательных бактерий в периплазматическом пространстве между двумя мембранами и др.
Защитной функцией обладают и слизистые образования поверхностных структур, состоящие главным образом из особых полисахаридов и реже из полипептидов. Они же могут служить местом запаса воды и питательных веществ и одним из способов взаимной связи между соседними клетками у колониальных микроорганизмов.
Многие прокариоты способны к активному движению. Направленные движения микроорганизмов называют таксисами. В зависимости от действующего фактора различают хемо-, аэро-, фототаксисы и др. У разных микробов наблюдаются различные формы движения:
1. Жгутиковое. Жгутики представляют собой многократно изогнутые длинные структуры, которые прикреплены к ЦПМ. В состав жгутиков входит специфический белок флагеллин. Энергия для движения с помощью жгутиков получается при превращении градиента электрохимического потенциала в механическую работу.
2. Извивание. Например, у спирохет вокруг протопласта обвивается аксиальная (опорная) нить, состоящая из тех же веществ, что и жгутики. Движение спирохет происходит за счет вращения аксиальных фибрилл в периплазматическом пространстве между пептидогликановым слоем и наружной мембраной. Это вращение создает на поверхности клеточной стенки эластичную волну, благодаря которой спирохеты могут быстро вращаться вокруг своей длинной оси, извиваться и передвигаться в жидкой среде по винтовому или волнообразному способу.
3. Скольжение. Некоторые бактерии, не обладающие жгутиками, передвигаются по твердому субстрату за счет скольжения (миксобактерии, нитчатые серобактерии и др.). Это слизеобразующие микроорганизмы. Объяснение механизма движения этих бактерий видят в гипотезе бегущей волны.
Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) у многих бактерий является единственной мембраной. На ее долю приходится 8 – 15 % сухой массы клетки. У фототрофных микроорганизмов, использующих энергию солнечного света, и хемоавтотрофных, пользующихся энергией окисления химических веществ, формируются мембранные структуры, тесно связанные с ЦПМ и выполняющие функции фотосинтеза и хемосинтеза. Они получили название внутрицитоплазматических мембран. Химический состав ЦПМ у грамположительных и грамотрицательных бактерий и эукариот практически одинаков.
Цитоплазматическая мембрана бактерий выполняет много функций.
1. барьерную;
2. здесь находятся ферменты, с участием которых происходит образование различных компонентов клеточной стенки;
3. в ЦПМ расположены электронтранспортные цепи фотосинтеза, хемосинтеза, дыхания, анаэробного дыхания и ферментные комплексы, обеспечивающие превращение электрохимической энергии в энергию макроэргов АТФ;
4. ЦПМ участвует в процессах передачи наследственных свойств благодаря закреплению на ней кольцевой ДНК клетки, в поглощении воды и элементов питания.
Типичных органелл, т.е. структур, обособленных от цитоплазмы, у прокариот нет. Среди внутрицитоплазматических мембран бактерий следует отметить мезосомы, выполняющие функции энергообмена, а также выделения (секреторные функции). Предположительно с мезосомами связывают компартментацию клеток, обеспечивающую определенную последовательность в ходе различных ферментативных реакций, доставку субстратов для синтеза клеточной стенки. К внутрицитоплазматическим структурам относятся тилакоиды пурпурных бактерий, хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий, выполняющие фотосинтетическую функцию.
Хлоросомы в виде продолговатых пузырьков длиной 90–150 нм и шириной 25–75 нм окружены однослойной мембраной толщиной 2 – 3 нм, состоящей только из молекул белков. Хлоросомы плотно примыкают к ЦПМ. В них содержатся бактериохлорофиллы, роль которых заключается в улавливании квантов света.
Фикобилисомы имеют вид гранул диаметром 25 – 55 нм. В них располагаются пигменты белковой природы фикобилипротеиды, растворимые в воде. Они также способны улавливать энергию солнечного света.
Цитоплазма, состоящая из белков, продуктов обмена веществ и различных субстратов, носит название цитозоля. Другая часть, структурная, содержит генетический аппарат, рибосомы, а у некоторых микроорганизмов и внутрицитоплазматические мембраны, и различные включения. Вся цитоплазма насыщена рибосомами, где осуществляются, как и у высших растений, синтез белка. Рибосомы отличаются от рибосом эукариот своими меньшими размерами. Число рибосом в бактериальных клетках зависит от интенсивности биосинтеза белка в них.
Генетический аппарат прокариотной клетки представлен, как правило, одной молекулой ДНК, имеющей форму кольца и названной бактериальной хромосомой. Впечатляют ее размеры: в развернутом виде ее длина почти в 1000 раз превышает длину прокариотной клетки. Бактериальная хромосома – высокоупорядоченная, компактная и суперспирализованная структура, имеющая у большинства бактерий молекулярную массу в пределах 1 – 3 · 109.
Молекула ДНК располагается в определенном месте цитоплазмы и не отделена от нее мембраной, как у эукариот. Поэтому, в отличие от последних, генетический аппарат прокариот называют нуклеоидом, а не ядром. Гистоны у большинства бактерий отсутствуют. Лишь недавно гистоноподобные белки, связанные с ДНК, обнаружены у некоторых микоплазм и некоторых цианобактерий. У каждого вида содержание пар азотистых оснований А + Т и Г + Ц в молекуле ДНК постоянно и служит важным диагностическим признаком.
Удвоение молекул ДНК предшествует делению прокариотной клетки, и начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к ЦПМ. Здесь расположены ферменты, которые участвуют в процессах репликации ДНК. Водородные связи между полинуклеотидными нитями разрываются, и на однонитиевых участках, как на матрице, синтезируются комплементарные цепи дочерних молекул ДНК. Параллельно с репликацией ДНК происходит рост мембраны на участке контакта ДНК с ЦПМ, приводя к разделению вновь образовавшихся молекул ДНК и оформлению их в самостоятельные хромосомы двух дочерних бактериальных клеток.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|