Основы микробиологии  (лектор М.В. Гусев)

 

Мир микробов – мир живых микроорганизмов. Не видимых невооруженным глазом

Объекты микробиологии: микроскопические животные, растения, грибы, водоросли, бактерии и, с определенными оговорками, вирусы.

В основе микробиологии – специфические методические подходы, связанные с малыми размерами объектов.

Развитие микробиологии. Обособление дисциплин, изучающих отдельные группы микроорганизмов (альгология, микология, вирусология, бактериология и др. ), а также различающихся задачами исследования (общая микробиология, медицинская микробиология, генетика микроорганизмов и др.).

 

Исторический очерк.

Загадки некоторых явлений (эпидемии чумы, получение кефира, пива, вина). Открытие Левенгуком мира микробов.

Научная деятельность Л. Пастера: открытие природы процессов брожения, причин возникновения инфекционных болезней животных и человека, доказательство невозможности самопроизвольного зарождения жизни на организмов (аэробы и анаэробы).

Разработка Кохом метода получения чистых культур микроорганизмов.

Введение С.Н. Виноградским микроэкологического принципат в исследование микроорганизмов и открытие им новых типов жизни – хемолитоавтотрофных микроорганизмов.

Работы М. Бейеринка. Создание им музея чистых культур микроорганизмов.

Обоснование А. Клюйвером и К. Ван Нилем биохимического единства жизни и «вклада микробов в биологию».

 

Размеры микроорганизмов.

Одноклеточность – основная форма организации микробов. Диапозан размеров микроорганизмов. Обоснование минимальных клеточных размеров  свободноживущих микроорганизмов. Связь между величиной объекта и его структурной сложностью в мире микробов. Соотношение между клеточной поверхностью и объемом как возможная причина ограничения верхнего предела размеров микроорганизмов.

 

Положение микроорганизмов в системе живого мира.

Деление Аристотелем всех живых организмов на два царства: животных и растений. Отнесение А. ван Левенгуком микроорганизмов к «маленьким живым зверушкам». Объединение К. Линнеем всех представителей микромира в группу «хаос». Схемы классификации микроорганизмов, предложенные К. Негели, М. Перти, Ф. Коном. Выделение Э. Геккелем всех микроорганизмов в царство Protista с последующим делением на высшие и низшие протисты.

Обнаружение двух типов клеточной организации – прокариотной и эукариотной. Черты сходства и различия между ними. Выделение микроорганизмов с прокариотной клеточной организацией (прокариот) в особое царство Procаryotae. Прокариоты, или бактерии, как основные и специфические объекты микробиологии.

Использование рибосомальных РНК в качестве молеку-маркеров для установления филогенетических взаимоотношений между организмами. Обнаружение в недрах мира прокариот двух групп: эубактерий и археобактерий. Основные черты сходства и различия между ними.

Выявление в эукариотической клетке двух типов рибосомальной РНК как подтверждение ее симбиотического происхождения.

Гипотетические схемы клеточной эволюции.

 

Этапы биологической эволюции. Происхождение жизни на земле.

Образование солнечной системы. Первые геологические события. Образование Земли. Дифференцировка Земли как планеты. Образование океанов. Тектонические явления. Начальные формы микробной жизни. Время анаэробов. Первые ископаемые остатки цианобактерий (строматолиты). Появление аэробных прокариот. Возникновение эукариот.

Гипотеза Опарина-Холдейна происхождения жизни на Земли. Образование органических молекул небиологическим путем. Опыты С. Миллера. Возникновение протоклеток и первичных клеток. Бактериосфера.

Первая экологическая катастрофа на Земле: появление молекулярного кислорода. Переход от бактериосфере к биосфере.

Представление о существующих бактериях как неких живых ископаемых.

 

Методы культивирования микроорганизмов

Понятия: колония, культура (смешанная, накопительная, чистая), штамм, клон.

Культуры микроорганизмов на твердых и жидких средах.

Среды для культивирования: естественные, синтетические, селективные.

Способы культивирования: периодический, проточный диализный.

 

Основные четы строения прокариотной клетки

Нуклеоид, цитоплазматическая мембрана, поверхностные структуры, внутрицитоплазматические мембраны, цитоплазматические включения.

Структуры обязательные и вариабельные.

 

Клеточный метаболизм: общие понятия

Определение метаболизма (обмена веществ) как совокупности конструктивных и энергетических процессов. Конструктивный метаболизм и анаболизм. Энергетический метаболизм и катаболизм.

Этапы метаболизма: периферический, промежуточный, конечный. Амфиболиты. Центроболиты. Связи между конструктивными и энергетическими процессами клетки.

 

Конструктивный метаболизм прокариот

Химический состав прокариотной клетки. Биосинтетическ4ие способности прокариот.

Источники углерода для прокариот. Автотрофия и гетеротрофия.

Источники азота для прокариот: восстановленные и окисленные соединения азота, молекулярный азот.

Источники серы и фосфора для прокариот.

Потребности прокариот в металлах.

Прокариоты – паразиты (облигатные и факультативные), сапрофиты, олиготрофы, копиотрофы, прототрофы и ауксотрофы.

 

Энергетический метаболизм прокариот

Источники энергии. Энергетические ресурсы. Общая характеристика энергетических процессов. Перенос электронов как суть энергетических процессов. Доноры и акцепторы электронов.

Основные типы энергетического метаболизма прокариот. Способы существования прокариот. Облигатный и факультативный способ существования. Миксотрофия. Понятие «ассимиляционной силы».

Поиски вариантов источника «ассимиляционной силы» и решения донор-акцепторной проблемы как движущая сила физиологической эволюции прокариот. Многовариантность решения этих проблем на уровне прокариотной клеточной организации.

АТФ как универсальная форма химической энергии в клетке.

Способы получения энергии прокариотами: брожение, фотосинтез, дыхание. Разное решение проблемы донора-акцептора, получения «ассимиляционной силы», фосфорилирования.

 

Брожение

Брожение как наиболее примитивный способ получения энергии. Энергетические ресурсы. Анаэробный характер процессов брожения. Центроболиты.

Гомоферментативное молочнокислое брожение как самый простой вариант решения донор-акцепторной проблемы. Энергетика процесса (субстратное фосфорилирование). Возбудители гомофермнтативного молочнокислого брожения. Работы И.И. Мечникова.

Другой вариант решения донор-акцепторной проблемы: спиртовое брожение. Прокариотные и эукариотные возбудители спиртового брожения.

Усложнение природы акцептора электронов: масляно-кислое брожение. Конечные продукты маслянокислого брожения: кислые, нейтральные, газообразные. Возбудители брожения. Создание В.Н. Шапошниковым теории двухфазности брожения. Налаживание микробиологического промышленного производства ацетона и бутанола.

Гетероферментативное молочнокислое брожение. Возбудители брожения.

Пропионокислое брожение. Гетеротрофная ассимиляция СО₂ . Возбудители пропионокислого брожения.

 

Фотосинтез

Истощение органических субстратов на первобытной земле. Взаимодействие прокариотных клеток с Солнцем как источником энергии.  «Вклад микробов» в понимание процесса фотосинтеза. Фотосинтезирующие эубактерии: Anoxyphotobacteria (пурпурные и зеленые бактерии, гелиобактерии) и Oxyphotobacteria (цианобактерии, прохлорофиты). Фотосинтезирующие архебактерии (экстремальные галофилы).

Фотосинтез эубактерий. Законы физики, лежащие в основе фотосинтеза. Фотосинтетические пигменты (хлорофиллы, фикобилипротеины, каротиноиды). Пигменты антенны и реакционного центра. Поглощение кванта света молекулами пигментов. Фотофизические и химические процессы фотосинтеза. Фотофосфорилирование. Образование восстановителя. Природа экзогенных доноров электронов при фотосинтезе (восстановленные соединения серы, органические вещества, молекулярный водород и др. ). Н₂О как экзогенный донор электронов. Создание второй фотосистемы. Появление молекулярного кислорода. Экологические последствия накопления в атмосфере молекулярного кислорода. Судьба анаэробов.

Фотосинтез архебактерий.

Анализ формулы фотосинтеза, предложенный де Соссюром:

                 Хл.    Свет

СО₂+Н₂О ^{_____________________}> (СН₂О) + О₂

 

 

Взаимодействие организмов с молекулярным кислородом

Накопление кислорода в атмофсере как следствие появления определенного типа фотосинтеза. Первый эволюционный кризис в биосфере.

Отношение организмов к кислороду: удаление из клетки, толерантность, использование.

Пути использования поглощенного клеткой молекулярного кислорода. Неферментативное окисление. Ферментативное поглощение кислорода. Свободное окисление. Окисление, сопряженное с запасанием энергии. О термине «дыхание». Соотношение между разными формами поглощенного кислорода у бактерий.

Ферменты, катализирующие взаимодействие с кислородом: оксидазы, катализирующие одно-, двух- и четырехэлектронный перенос; Ди- и монооксигеназы.

 

Дыхание

Усовершенствование путей извлечения энергии из органических субстратов. Дальнейшая деградация молекулы пирувата до ацетилКоА. Полное окисление ацетилКоА в ЦТК. Поступление кислорода в дыхательную цепь. Основные переносчики водорода (электронов) в дыхательной цепи митохондрий: НАД(Ф), Н₂- дегидрогеназы, хиноны, цитохромы,  FeS- белки.

Особенности дыхательных цепей прокариот: множество мест включения восстановительных эквивалентов с окисляемых субстратов в дыхательную цепь; разнообразие компонентов дыхательных цепей при принципиальной однотипности их организации; разветвление дыхательных цепей         на конечном этапе переноса электронов.

Запасание энергии в молекулах АТФ по механизму окислительного фосфорилирования. Число фосфорилирований в дыхательных цепях бактерий.

Дыхательные цепи, в которых энергетическим субстратом служат органические (хемоорганотрофные бактерии) и неорганические (хемолитотрофные бактерии) соединения.

Группы хемоорганотрофных бактерий: метилотрофы, уксуснокислые, аммонофицирующие, целлюлозоразрушающие, денитрифицирующие бактерии.

Образование «ассимиляционной силы» в процессах дыхания. Образование восстановителя хемолитоавтотрофными бактериями. Обратный транспорт электронов. Экзотические формы жизни: железобактерии, нитрифицирующие, водородные, тионовые бактерии.

Замена О₂ в качестве конечного акцептора электронов рядом окисленных органических и неорганических соединений (анаэробное дыхание). Типы анаэробного дыхания у прокариот: нитратное, серное, фумаратное.

 

<Генетическая организация прокариот и их вклад в решение кардинальных проблем генетики

Генетика как наука о наследственности и изменчивости.

Представления о плеоформизме и моноформизме бактерий. Генетический аппарат прокариот. ДНК как носитель всей генетической информации. Строение нуклеоида. Бактериальная хромосома. Нехромосомные генетические элементы (плазмиды) и их роль как факторов адаптации.>

Возможно, последний абзац, знать вовсе необязательно…