Материал: Shpora_gos_kaf_biopoch

1. Метаболические превращения клеток микроорганизмов

2. Свойства покоящихся клеток

3. Пролиферативный и метаболический покой

4. Репродуктивные покоящиеся формы микроорганизмов

5. Этапы формирования покоящихся форм

6. Механизмы катаболитной репрессии и репрессии конечным продуктом

7. Роль микроорганизмов в формировании и разложении почвенного гумуса

8. Автохтонная и зимогенная микрофлора

9. Микробная популяция как многоклеточный организм

10. Экологическая роль антибиотиков в почве

11. Примеры микробных сукцессий в почве

1. Метаболические превращения клеток микроорганизмов.

Метаболизм — совокупность всех   химических превращений, происходящих в клетках. Этот термин объединяет   два процесса: катаболизм (диссимиляция, или энергетический метаболизм) и  анаболизм (ассимиляция, или конструктивный метаболизм). Первый процесс  включает  расщепление различных субстратов для получения энергии, второй  — синтез  высокомолекулярных соединений, используемых для образования  клеточных  структур. Различия в метаболизме у разных групп  бактерий  нередко используют в качестве фенотипических маркёров при идентификации  микроорганизмов.

Синтез ( регенерация ) АТФ. Получение энергии в процессе  фотосинтеза. Синтез АТФ осуществляется тремя способами: фотосинтетическое  фосфорилирование, окислительное фосфорилирование (сопряжённое с  транспортом электронов по дыхательной цепи) и субстратное  фосфорилирование. В первых двух процессах преобразование поступившей с потоком электронов энергии в энергию фосфоэфирных связей АТФ осуществляет особый фермент — АТФ-синтетаза. Этот фермент присутствует во всех мембранах, участвующих в преобразовании энергии (мембраны бактерий, митохондрий и хлоропластов).

Получение энергии при окислении химических соединений.  Бактерии хемотрофы. Получение энергии субстратным фосфорилированием.  Брожение. Преобладающую часть бактерий составляют бактерии хемотрофы, получающие энергию в результате окислительно-восстановительных реакций расщепления химических веществ, которые в ряде случаев служат для них также источником питания. Разные бактерии получают энергию либо в процессе брожения либо в процессе дыхания. При брожении АТФ образуется исключительни путём субстратного фосфорилирования, а в процессе дыхания преимущественно путём окислительного фосфорилирования за исключением начальных этапов превращения гексоз в триозы (гликолиз, см. ниже). Получение энергии субстратным фосфорилированием Субстратное фосфорилирование может происходить при различных  реакциях промежуточного метаболизма. При дегидрировании некоторых  определённых субстратов часть энергии, освободившейся при окислении,  сохраняется в форме высокоэнергетического фосфата. Богатая энергией  фосфатная группа затем переносится на АДФ с образованием АТФ. Такой  процесс называют фосфорилированием на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование).

Брожение. При брожении происходит анаэробное разложение  углеводов и образование АТФ посредством субстратного фосфорилирования.  Брожение характерно для факультативных и облигатных анаэробов. При  брожении продукты расщепления органического субстрата могут служить  одновременно и донорами и акцепторами водорода. Отдельные этапы  окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород  переносится на НАД. Акцепторами водорода в составе НАДН+ служат  промежуточные продукты расщепления субстрата. Кислород подавляет  брожение, и оно у факультативных анаэробов сменяется дыханием. По выходу энергии брожение уступает дыхательному метаболизму:  при сбраживании микроорганизмами 1 моля глюкозы образуется от 1 до 4  молей АТФ. Для сравнения; у дрожжей на 1 моль сброженной глюкозы  образуется 2 моля АТФ, а при дыхании — 38. При ферментации субстратов в  среде накапливаются конечные продукты (лактат, бутират, ацетон,  2-пропанол, этанол, ацетоин и др.). Определение природы этих продуктов—  важный момент для идентификация анаэробов. Например, образование  ацетоина определяют в реакции Фогеса-Проскауэра, кислотообразование — в тесте с метиловым красным, индолообразование — по методу Грациана. Применяют и другие тесты, разработанные для идентификации бактерий. Любое брожение проходит две стадии: первая (окисление)  включает превращение глюкозы в пировиноградную кислоту, вторая  (восстановление) — присоединение атомов водорода для восстановления  пировиноградной кислоты (рис. 4-7). Сам процесс образования  пировиноградной кислоты включает серию реакций, общих для брожения и  аэробного дыхания. У микроорганизмов выделяют три пути образования триоз  (пировиноградной кислоты и глицеральдегидфосфата) из углеводов:  гликолитичес-кий (фруктозо-1,6-бифосфатный), пентозофосфатный и  2-кето-З-дезокси-б-фосфоглюконатный (КДФГ-путь, путь Энтнера-Дудорова-Парнаса). Согласно образующимся продуктам, брожение разделяют на следующие типы. Спиртовое брожение. Гомоферментативное молочнокислое брожение. Гетероферментативное брожение. Муравьинокислое брожение. Спиртовое брожение включает превращение пирувата в С02 и  этанол. В течение многих веков способность дрожжей (особенно Saccharomyces cerevisiae) утилизировать глюкозу в анаэробных условиях с высоким выходом этанола и углекислоты применяют в пивоварении и виноделии. Аналогично дрожжам образует этанол Sarcina ventriculi. Бактерии кишечной группы, молочнокислые бактерии и клостридии образуют этанол в качестве побочного продукта сбраживания сахаров.

Гомоферментативное молочнокислое брожение (образуется  практически только один продукт — молочная кислота) характерно для  многих стрептококков и лактобацилл. Конечный продукт — молочная кислота —  составляет не менее 90% всех продуктов брожения. В зависимости от  стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы  (фермент, переводящий один изомер в другой), могут образоваться  различные изомеры молочной кислоты (D, L) или их смесь (DL-молочная  кислота). Гетероферментативное брожение (образуется смесь различных  продуктов) характерно для бифидобактерий и молочнокислых бактерий, для  рода Leuconostoc. Оно приводит к образованию молочной и уксусной кислот в  ряде сходных процессов. Конечными продуктами могут быть дополнительно  С02 и этанол, а при сбраживании фруктозы — маннитол.

Конструктивный метаболизм ( пластический обмен ). Углеродные  соединения для биосинтетических реакций бактерий. Биосинтез аминокислот  и белков бактериями. Совокупность биосинтетических реакций включения низкомолекулярных соединений в клеточные полимеры составляет суть конструктивного метаболизма. Комплекс этих реакций иногда называют пластическим обменом.  Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий Для биосинтеза клеточных компонентов необходимы соответствующие низкомолекулярные соединения-предшественники (например, сахара или аминокислоты). При наличии таких предшественников в окружающей среде они непосредственно вовлекаются в различные биосинтети-че.ские пути. Однако гораздо чаще бактериям приходится предварительно синтезировать большую часть молекул-предшественников из доступных исходных продуктов. Огромное разнообразие субстратов, которые бактерии могут использовать в качестве источников питания, вытекает из широкого спектра их метаболических возможностей. Исходные продукты для биосинтеза образуются в ходе различных путей катаболизма, включая гликолиз, КДФГ-путь, пентозофос-фатный путь, окисление пирувата и ЦТК. Например, углеродные фрагменты из ЦТК — сукцинил-КоА и ацетил-КоА — используются соответственно для образования тетрапирролов и жирных кислот. Следует помнить, что подобное «изъятие» интермедиатов из ЦТК возможно лишь при постоянном восполнении их дефицита.

2. Свойства покоящихся клеток.

Свойства покоящихся форм

Формы или стадии развития микробов с резко сниженным обменом веществ и энергии (гипобиоз, анабиоз). У П.ф.м. отсутствуют рост и размножение, они не выделяют токсинов, эктоферментов, др. биол. веществ, более устойчивы к различным повреждающим факторам внешней среды (в т. ч. к антибиотикам, антисептикам, дезинфектантам, температуре) и иммунным факторам организма хозяина, способны долгое время переживать во внешней среде или в организме хозяина. П. ф. м. могут иметь типичную для вегетативных форм или особую морфологию. Специальными П.ф.м. являются споры бактерий и грибов, цисты спирохет и простейших, «малые» формы риккетсий и хламидий, вирион вирусов, с некоторыми оговорками - L-форма бактерий и лизогенная форма вирусов. Большинство П.ф.м. выполняет функцию переживания популяции в неблагоприятных условиях. При создании благоприятных условий П.ф.м. превращается в вегетативную.

Зрелые споры не проявляют никакой метаболической ак­тивности. Они чрезвычайно устойчивы к воздействию высокой темпера­туры, разного рода излучений и химических агентов. Терморезистент­ность обусловлена очень низким содержанием воды. Терморезистентность спор приблизительно пропорциональна содержанию в них дипиколиновой кислоты.

Радиорезистентность спор также выше, чем у вегетативных клеток. Она примерно пропорциональна содержанию дисульфидных групп в на­ружном слое белка. Оболочка споры содержит главным образом белок, богатый цистеином и напоминающий кератин. Химическая же устойчи­вость эндоспор обусловлена непроницаемостью их оболочки для мно­гих веществ.

3. Пролиферативный и метаболический покой.

Характеристика пролиферативного состояния клеток. Это состояние характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток. Эта скорость во время от вида бактерий, а также от среды. Величина клеток и содержание в них белка у многих бактерий тоже остаются постоянными. Можно сказать, что бактериальная культура в этом случае состоит из «стандартных клеток». Если точно установлено, что число клеток, содержание в них белка и их сухая биомасса увеличиваются с одинаковой скоростью, то за ростом культуры можно следить, пользуясь каким-нибудь одним из этих показателей.

Клетки периодической культуры могут меняться, т.к. постепенно изменяется среда: уменьшается концентрация субстрата, увеличивается плотность клеточной суспензии и накапливаются продукты обмена. В связи с тем что скорость деления клеток в пролиферативном состоянии относительно постоянна, в это время удобно определять скорость деления (и скорость роста). Изучая влияние факторов среды (рН, окислительно-восстановительного потенциала, температуры, аэрации и т. д.), а также пригодность различных субстратов, следят за увеличением числа клеток или за мутностью (экстинкцией) клеточной суспензии во время пролиферативного состояния.

4. Репродуктивные покоящиеся формы микроорганизмов.

Репродуктивные покоящиеся формы микроорганизмов.

5. Этапы формирования покоящихся форм.

Процесс образования спор проходит ряд последовательных стадий:

подготовительная. Изменяется метаболизм, завершаетется репликация ДНК и происходит ее конденсация. Клетка содер­жит два или более нуклеоида, один из них локализуется в спорогенной зоне, остальные — в цитоплазме спорангия. Одно­временно синтезируется дипиколиновая кислота;

стадия предспоры. Со стороны цитоплазматической мем­браны вегетативной клетки происходит врастание двойной мембраны, или септы, отделяющей нуклеоид с участком уплот­ненной цитоплазмы (спорогенная зона). В результате чего образуется проспора, окруженная двумя мембранами;

образование оболочек. Вначале между мембранами проспоры образуется зачаточный пептидогликановый слой, затем над ним откладывается толстый пептидогликановый слой кортекса и вокруг его наружной мембраны формируется споро­вая оболочка;

созревание споры. Заканчивается образование всех струк­тур споры, она становится термоустойчивой, приобретает ха­рактерную форму и занимает определенное положение в клетке.

Эндоспоры,которые могут образовывать грамположительные бактерии. Другие покоящиеся формы – цисты (азотобактер, спирохеты, риккетсии) – превращение всей клетки с изменением формы и утолщением клеточной стенки; экзоспоры  возникают путем почкования материнской клетки (у метанокисляющих бактерий); акинеты у цианобактерий.

6. Механизмы катаболитной репрессии и репрессии конечным продуктом.

Катаболитная репрессия – механизм регуляции, с помощью которого происходит снижение активности ферментов утилизации вторичных источников углерода при наличии основного источника углерода. Обеспечивает предпочтительное использование глюкозы по сравнению с другими источниками углерода.

Моно и Жакоб показали, что ДНК организована в наборы генов, называемых оперонами. Оперон состоит из структурного гена, направляющего и контролирующего синтез специфического клеточного фермента, и регуляторного гена, или оператора.

Структурный ген тормозится или подавляется регуляторным геном. Когда верменты активируются, регуляторный ген подавляется клеточным белком(репрессором), позволяя тем самым структурному гену синтезировать и-РНК. Эта система биохимической генетики позволянт клетке адаптироваться к новымт условиям окружающей среды.

В основе феномена катаболитной репрессии лежит ФЕСФОЕНОЛПИРУВАТ (ФЕП)

1) Углеводфосфотрансферазная система транспорта углеводов(ФТС)

2) Система фосфорилирования – транспорт углеводов в клетку через ЦПМ сопряжен с их одновременным фосфорилированием. (ФЕП_IN + углевод_OUT = ПИРУВАТ_IN + САХАРОФОСФАТ_IN)

Реакция включает в себя: пять этапов переноса фосфатной группы с участием фермента EI, фосфопереносящий белок HPr, ферментный комплекс EII (IIA, IID,IIC).

Суть катаболитной репрессии заключается в подавлении, при наличии глюкозы в среде, экспрессии одновременно нескольких оперонов, вовлеченных в метаболизм не-ФТС-сахаров, таких как лактоза, раффиноза, арабиноза.

В основе подавления метаболизма не ФТС сахаров лежат два главных механизма:

1) катаболитная репрессия на уровне инициации транскрипции генов, кодирующих транспорт и метаболизм не-ФТС-сахаров

2) исключение индуктора – подавление активности ферментов их транспорта-пермеаз.

МЕХАНИЗМ КАТАБОЛИТНОЙ РЕПРЕССИИ

КР действует в промоторных областях ДНК-оперонов не ФТС сахаров и дополняет контроль, оказываемый операторной областью. Эффективное связывание ДНК-полимеразы с областью промотора в оперонах требует присутствия катаболитного активаторного белка (САР или ЦАМФ).

7. Роль микроорганизмов в формировании и разложении почвенного гумуса.

ОБРАЗОВАНИЕ И РАЗЛОЖЕНИЕ ГУМУСА

Накопление отмерших растительных остатков в виде особого слоя подстилки или войлока на поверхности почвы создает особое хранилище элементов питания, которые по мере разложения постепенно поступают в почву. Они либо используются растениями и микроорганизмами, либо аккумулируются и стабилизируются в форме гумусовых веществ, определяющих почвенное плодородие. Гумус составляет 90% общего запаса органических веществ в почвах и представлен группой высокомолекулярных соединений разной химической природы, главным образом высокополимерных органических кислот. Азот в гумусе входит в состав аминокислот белковой фракции и в гетероциклы, которые не разрушаются при кислотном гидролизе.

Гумус сильно различается как по качеству, так и по количеству в почвах разных типов вследствие того, что он образуется из растительных остатков неодинакового химического состава и в различных условиях, а в его формировании участвует комплекс организмов, специфичный для каждой природной зоны.

Образование и накопление гумуса в почве — это суммарный итог многих биологических и абиогенных процессов. Исходный этап — разложение растительного опада и корневых остатков.

В лесных ландшафтах процессы трансформации активно протекают в верхних слоях, в подстилке; в травяных они опущены на глубину, где сосредоточена основная масса корней. В связи с этим различна доля участия животных и микроорганизмов в этих процессах.

Исследование процессов гумификации в связи с деятельностью почвообитающих организмов составляет экологическое направление в решении проблемы гумуса. Это направление берет начало с конца прошлого века, когда датчанин Р. Е. Мюллер, работая с лесными почвами, описал три типа гумуса — муль, модер и мор, которые образуются как результат взаимодействия органических и минеральных соединений, с одной стороны, и почвенных организмов и растительности с другой.

Нейтральный (мягкий, муллевый) гумус образуется под широколиственным лесом. Он характерен для бурых лесных почв, где подстилка обычно не накапливается из-за активной ее переработки беспозвоночными животными с участием дождевых червей, а также высокой активности микроорганизмов. Мягкий гумус состоит из органоминеральных соединений и имеет слабокислую реакцию. Такой тип гумуса образуется также под травянистыми формациями. Соотношение C : N в этом гумусе обычно ниже 20.