Способы питания и поступления в клетку различных веществ.

Питание – это процесс усвоения микробной клеткой питательных веществ, поступающих из окружающей среды, в результате которого они превращаются в составные части биологических структур клетки или откладываются в ней в виде запасных веществ.

Большинство микроорганизмов обладает голофитным способом питания или внеклеточным пищеварением, которое происходит в окружающей среде (субстрате) под влиянием экзоферментов микроорганизмов.

Существует также голозойный тип питания, так называемое внутриклеточное пищеварение, которое происходит внутри клетки под действием эндоферментов.

Существует четыре механизма проникновения веществ из окружающей среды через клеточную мембрану в цитоплазму клетки.

1. Пассивная диффузия. Переносимое вещество не взаимодействует специфически с компонентами клеточной мембраны. Оно проходит сквозь мембрану за счет градиента концентрации компонентов по обе стороны мембраны. То есть до тех пор, пока не установится равновесие между концентрациями внутри и снаружи клетки. Внутреннее напряжение бактериальной клетки (тургор) является одним из основных условий, обеспечивающих нормальное поступление в нее питательных веществ.

2. Облегченная диффузия. Скорость транспорта веществ в клетку в условиях повышения концентрации субстрата возрастает до определенного предела. Кроме градиента концентрации функционируют электрические переносчики, находящиеся в мембране: субстрат соединяется с протоном и белком-переносчиком и по электрическому градиенту диффундирует в клетку. Переносчики специфичны по отношению к субстрату.

3. Активный транспорт. Совместно с белком-переносчиком функционирует специальная система, обеспечивающая процесс переноса с использованием энергии. Система связана с биологическим окислением в клетке, при котором в дыхательной цепи мембраны происходит выброс протонов, обеспечивающих мембранный потенциал. В процессе жизнедеятельности происходит постоянный вынос протонов из клетки в среду, вследствие чего их концентрация в клетке снижается. Таким образом, образовавшийся вне клетки комплекс переносчик-протон-субстрат, проникнув внутрь клетки, распадается за счет отсоединения протона, и субстрат остается в цитоплазме.

4. Перенос групп. Отличается от активного транспорта тем, что субстрат появляется внутри клетки в виде фосфорного эфира.

3. Типы питания микроорганизмов. По типу питания микроорганизмы делят в зависимости от источников потребления энергии и углерода, различают 2 группы в одном и другом случае. По отношению к энергии:

1) фототрофы – организмы, которые пользуются энергией солнечного света;

2) хемотрофы – пользуются энергией, заключающейся в разнообразных органических соединениях;

По отношению к углероду:

1) автотрофы – микроорганизмы, которые используют в качестве источника углерода углекислый газ;

2) гетеротрофы – получают углерод в составе органических соединений.

Таким образом все микроорганизмы можно разделить на 4 группы: фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы, хемогетеротрофы. В каждой из этих групп выделяют также органотрофы, которые получают энергию за счет разложения органических веществ, и литотрофы, получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. То есть, возможно, 8 видов питания.

Источник энергии	Окисляемый субстрат	Источник углерода
Органические соединения	Углекислый газ
Свет	Органические соединения	фотоорганогетеротрофный	фотоорганоавтотрофный
Неорганические соединения	фотолитогетеротрофный	Фотолитоавтотрофный
Органические соединения	Органические соединения	хемоорганогетеротрофный	Хемоорганоавтотрофный
Неорганические соединения	Неорганические соединения	хемолитогетеротрофный	хемолитоавтотрофный

Наиболее широко распространены 2 вида питания: фотолитоавтотрфный (растения, водоросли, некоторые бактерии) и хемоорганогетеротрофный (все животные, грибы, некоторые бактерии). Остальные виды питания встречаются в специфических условиях. Микроорганизмы, которые питаются мертвой органической материей, - сапрофиты. По источникам азота их делят на 3 группы:

1) могут развиваться только при наличии сложных органических форм азота (молочнокислые, гнилостные бактерии);

2) могут развиваться при наличии одной или двух аминокислот, остальные синтезируют сами (многие грибы, актиномицеты);

3) усваивают азот из атмосферы, затем восстанавливают азот до аммиака, из которого синтезируют аминокислоты (клубеньковые бактерии);

Типы дыхания микроорганизмов. По отношению к кислороду микроорганизмы делят на 2 группы:

1) аэробы – используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород;

2) анаэробы – используют в качестве конечного акцептора какие-либо другие вещества.

4. Особенности развития и роста микроорганизмов. Все микроорганизмы проходят ряд стадий развития.

1 стадия – лаг-фаза: в это время происходит процесс приспособления бактерий к окружающей среде и процесс приспособления бактериями среды для последующего размножения. На этой стадии бактерии не размножаются, причины могут быть внешними и внутренними. Внешние: не вполне благоприятное значение рН; состав среды не совпадает с тем, к которому уже приспособились бактерии. Внутренние: отсутствие готовности клетки к делению, которое зависит от возраста посевного материала; в клетках повышенное содержание нуклеиновых кислот, увеличивается объем клеток. Длительность этой стадии имеет видовую специфичность.

2 стадия – фаза интенсивного размножения (экспоненциальная). В это время клетки снабжены питательными веществами и не накопили вредных продуктов обмена. Поэтому размножение имеет максимальную скорость.

По мере исчерпания запасов питательных веществ и накопления отбросов жизнедеятельности размножение замедляется, в определенный период количество вновь образующихся и умирающих клеток становится равным. Это 3 стадия – стационарный период.

4 стадия – фаза отмирания. В этот период преобладает отмирание клеток. Если в клетках не содержится активных протеолитических ферментов и нет условий для самопереваривания, то мертвые клетки остаются в среде, создается мутность среды. Если есть активные ферменты, мертвые клетки растворяются и общее число клеток в культуре сильно падает.

Культивирование микроорганизмов. Для выделения микроорганизмов из естественных субстратов, прежде всего, получают накопительные культуры в избирательных условиях. Избирательные (элективные) условия – это условия, благоприятные или переносимые выделенной культурой и неблагоприятные для всех других микроорганизмов. В этих условиях происходит обогащение микробного комплекса выделенными формами и угнетение других организмов. После получения накопительной культуры приступают к выделению чистой культуры. Чистая культура представляет собой потомство одной клетки.

В лабораторных условиях микроорганизмы культивируют на питательных средах, которые содержат все вещества, необходимые для их роста. Существуют специальные способы культивирования аэробных и анаэробных микроорганизмов.

ЛЕКЦИЯ №5.

Генетика микроорганизмов

Вопросы:

1.Наследственные факторы микроорганизмов.

2.Механизмы, вызывающие изменение генетической информации.

3.Практическое использование достижений генетики микроорганизмов

1. Наследственные факторы микроорганизмов. В клетках эукариот местом нахождения генетического материала являются ядра, а у прокариот – нуклеоиды. Генетический материал представлен ДНК. Бактериальные клетки ДНК имеют форму нитей, замкнутых в виде кольца, - бактериальная хромосома. Хромосома имеет отдельные участки (фрагменты молекулы ДНК), которые называются генами. Ген – основной фактор, отвечающий за наследственные свойства микроорганизмов. Кроме того, конкретные признаки микроорганизмов обуславливают отдельные ферменты. Гены, которые несут информацию о синтезируемых микроорганизмами ферментах – структурные гены.

Микроорганизмы содержат генетический материал не только в хромосоме, но и в плазмидах, расположенных в цитоплазме. Плазмиды представляют собой молекулы ДНК. Клетка микроорганизма составляет генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов называется фенотипом.

Изменения наследственных признаков, возникающие под влиянием внешней среды, - модификации. Модификации существуют до тех пор, пока действует вызывающий их фактор среды, и не наследуются организмами. Изменения генотипа называются мутациями, они происходят случайно и являются наследственно закрепленными признаками.

2. Механизмы, вызывающие изменения генетической информации. Мутации происходят, если в ДНК химически изменяется или выпадает нуклеотид или в ДНК включается лишний нуклеотид. Различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации затрагивают только 1 ген, а хромосомные распространяются на несколько генов.

Генные мутации:

· точковые мутации – мутации, при которых происходят химическое изменение одного нуклеотида. Среди них различают несколько групп:

1) транзиции – мутации, когда пурин одной из цепей ДНК замещается другим пурином, а пиримидин комплиментарной цепи другим пиримидином.

2) трансверсии – мутации, когда происходит замена пурина пиримидином.

3) мутации со сдвигом рамки – изменения, когда происходит вставка лишнего нуклеотида.

В ряде случаев точковые мутации могут возвращаться к исходной дикой форме в результате процесса обратной мутации – реверсии.

Хромосомные мутации связаны с более крупными перестройками фрагментов ДНК. Среди них выделяются:

1) делеция, которая проявляется в результате выпадения меньшего или большего числа нуклеотидов;

2) инверсия, которая проявляется в виде поворота участка ДНК на 180^о;

3) дупликация – повторение какого-либо фрагмента ДНК;

Мутации вызывают обычно химические и физические агенты, такие как рентгеновское, ультрафиолетовое излучения, гамма-лучи, соединения тяжелых металлов, перекиси, минеральные масла, алкилирующие соединения, аналоги иприта и другие. Клетки бактерий обладают специальными системами, восстанавливающими поврежденные ДНК. Восстановления осуществляются ферментами, которые находятся под контролем специальных генов.

У микроорганизмов имеются механизмы, способствующие возникновению в потомстве резко измененнной наследственности. Эти механизмы заключаются в немедленной перестановке генов (рекомбинации), принадлежащих близкородственным, но генетически различным организмам. У эукариот это образование индивидуумов происходит в результате полового процесса. У прокариот известно 3 процесса рекомбинации генов:

1) трансформация – перенос генов, при котором часть ДНК клетки-донора может проникать в родственную бактериальную клетку. ДНК получается экстрагированием или при естественном растворении клеток.

2) коньюгация – процесс, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются при помощи коньюгационных мостиков, через которые происходит обмен генетическим материалом.

3) трансдукция – перенос бактериального материала от одной клетки к другой при участии бактериофага.

3. Практическое использование достижений генетики микроорганизмов.Развитие генетики, открывшей методы получения наследственно измененных форм микроорганизмов, расширило возможности ис­пользования микроорганизмов в сельскохозяйственном и промыш­ленном производстве, а также в медицине. Основной из этих методов — это индуцированное получение мутантов воздействием различными мутагенами (излучениями и химическими веществами) на дикие, существующие в природе культуры микроорганизмов. Таким методом удается создать мутанты, которые дают в десятки и сотни раз большее количество ценных продуктов (антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот и т. д.) по сравнению с дики­ми формами микроорганизмов.

Процесс получения высокопродуктивных штаммов микроорга­низмов состоит из многих этапов. На культуру микроорганизма воздействуют различными мутагенными факторами с последую­щим отбором наиболее продуктивного штамма. Этот мутантный штамм может подвергнуться дальнейшему воздействию мутагенов и дальнейшему отбору еще более продуктивных мутантов. Часто из тысячи бесполезных мутантов отбирают только один высоко­продуктивный штамм. В последние годы методом радиационного и химического мутагенеза микроорганизмов получено большое число промышленных штаммов микроорганизмов — продуцентов анти­биотиков, ферментов, витаминов, ценных пищевых аминокислот, ростовых и других веществ.

Особенно широкие перспективы переделки наследственной при­роды организмов сулит развитие генной, или генетической, инже­нерии. Это раздел молекулярной генетики, который разрабатывает методы создания новых генетических структур, несущих заданную информацию, и способов их переноса в клетки прокариот и эукариот.

Полученные методом генной инженерии новые генетические молекулы представляют собой рекомбинантные ДНК, включающие два компонента — вектор (переносчик) и клонируемую «чужерод­ную» ДНК. Так как переносчик должен обладать свойствами репликона и обусловливать репликацию вновь созданной рекомбинантной ДНК, то в качестве вектора обычно используют такие репликоны, как плазмиды, умеренные фаги и вирусы животных. Все эти переносчики имеют циркулярно замкнутую структуру ДНК - Клонируемая ДНК — это фрагмент ДНК, который несет необходимый ген (или гены), контролирующий образование нуж­ного вещества.

Имеются различные приемы получения рекомбинантных моле­кул ДНК - Наиболее простой из них сводится к обработке изолиро­ванных молекул ДНК-вектора и ДНК, несущей необходимый ген, ферментами рестриктазами (эндонуклеазы рестрикции), расщепля­ющими взятые молекулы ДНК в строго определенном месте с образованием однонитчатых комплементарных друг другу концов, так называемых липких концов. Это первый этап получения реком­бинантных ДНК — «разрезание» молекул ДНК с помощью эндонуклеаз рестрикции. Второй этап заключается в обработке полученных линейных молекул ДНК ферментом полинуклеотидлигазой, которая «сшивает» две разные молекулы в одну рекомби-нантную ДНК. На третьем этапе рекомбинантные молекулы вво­дят в клетки тех или иных бактерий методом трансформации. На завершающем, четвертом, этапе проводят клонирование трансфор­мированных клеток.

В настоящее время методом генной инженерии получены рекомбинантные молекулы ДНК, несущие информацию для образо­вания таких важных веществ, как интерферон, инсулин, гормон роста человека и другие в клетках кишечной палочки (Е. coli). По-видимому, методом генной инженерии можно будет создать и такие бактерии, которые, потеряв свою болезнетворность, помогут выработать иммунитет против многих инфекционных болезней жи­вотных и человека. В промышленности, благодаря использованию генной инженерии, появятся высокопродуктивные микроорганиз­мы, создающие белки, ферменты, витамины, антибиотики, росто­вые вещества и другие нужные продукты.

Будут получены новые сорта растений и породы животных, устойчивые к заболеваниям и наделенные особенно выгодными для сельского хозяйства свойствами. Возможно, методом генной инженерии будут созданы растения, обладающие способностью к связыванию молекулярного азота ат­мосферы. Такие растения, вероятно, можно будет получить после введения в их геном генов от микроорганизмов, фиксирующих азот из воздуха.

Нет сомнения в том, что в связи с разработкой и совершенство­ванием методов генной инженерии, показавших возможность передачи не только естественных генов живых организмов, но и искусственно синтезированных, открываются блестящие перспекти­вы для научно-технического прогресса не только в медицине и про­мышленности, но и в сельскохозяйственном производстве.

ЛЕКЦИЯ №6