Цитоплазма бактерий окружена плазматической мембраной, на внутренней поверхности которой локализованы многочисленные ферменты. В цитоплазме обнаруживают большое количество рибосом и гранулярных включений, а также один или два участка, где концентрируется ДНК.
Жгутики и фимбрии. Некоторые бактерии имеют очень тонкие и прочные спиральные жгутики, в несколько раз более длинные, чем сами клетки. Жгутики совершают быстрые вращательные движения и способствуют движению бактерий. Бактерии для своих размеров передвигаются очень быстро, за одну секунду они преодолевают расстояние равное примерно 20 диаметром самой бактериальной клетки.
Жгутики бактерий длинные 12-13 миллиметра, тонкие и волнообразно изогнутые. Диаметр их обычно 10-12 нм, поэтому их нельзя увидеть в световой микроскоп. У некоторых бактерий жгутики равномерно распределены по всей поверхности клетки, у других прикреплены к одному или к обоим концам. Каждый жгутик состоит из одной жёсткой молекулы белка флагеллина.
Фимбрии (ворсинки) короче и прямее, чем жгутики: их диаметр около 7,5-10нм. Фимбрии характерны главным образом для грамотрицательных бактерий. Полые ворсинки образуются на клетках во время конъюгации, однако их точная функция пока неизвестна. Возможно, они переносят ДНК или способствуют соединению клеток. В большинстве случаев ворсинки помогают, бактериям прикрепляется к определённым мембранам.
Несмотря на простоту организации, бактерии могут реагировать на определённые раздражители, двигаясь в направлении увеличивающейся концентрации пищи или кислорода. Бактерии обладают специфической чувствительностью к питательным различным веществам, например сахаром. После того как клетки получают сигнал о "привлекающих" (аттрактантах) или "отталкивающих" (репеллентах) веществах, они могут выбрать нужное им направление движения. Аттрактанты вызывают вращение жгутиков против часовой стрелки, а репелленты - наоборот, по часовой стрелки. Таким образом "пробежки" совершаются за счёт вращения жгутиков, а "кувыркание" - за счёт вращательного движения. При длительном движении жгутики работают вместе и собираются в пучок на заднем конце клетки, несмотря на то что расположены практически по всей поверхности.
Совершенно иной способ движения обнаружен у нитчатых цианобактерий и у бактерий, лишённых жгутиков. Движение этих микроорганизмов представляет собой скольжение, но может включать и вращение вдоль продольной оси клетки. Короткие сегменты, отчленённые от колонии цианобактерий могут скользить со скоростью порядка 10 мкм/с. Движению способствуют выделения слизи через споры клеточной оболочки и образование сократительных волн на её внешней поверхности.
Размножаются микроорганизмы делением клетки на две равные или почкованием, что особенно характерно для многих дрожжей. Только некоторым бактериям свойственно образование специальных "органов" размножения (цианобактерии, миксобактерии, актиномицеты). Для переживания неблагоприятных условий, некоторые бактерии в своём жизненном цикле имеют стадию покоя. У одних бактерий такая стадия покоя связана с образованием одной или реже нескольких эндоспор. После разрушения клетки - эти споры попадают в окружающею среду и т.к, они крайне устойчивы к всякого рода внешних воздействий (температуре, радиации, высушиванию и др.) то могут сохранятся десятки, сотни и даже тысячи лет. При попадание в благоприятные условия такие споры прорастают, давая вегетативные клетки. Некоторые другие бактерии образуют покоящие формы в виде цист, экзоспор и микроспор.
Для существования микроорганизмов необходимы источники углерода и энергии. По типу потребляемого углерода подразделяются на гетеротрофов (используют углерод в органической форме) и автотрофов (используют углерод углекислот). По типу источника энергии их можно разделить на фототрофов (используют солнечный свет) и хемотрофов (у них источник энергии - окисление органических или неорганических веществ). По типу источника электронов, используемых в окислительно-восстановительных реакциях различают органотрофов и литотрофов, получающих электроны из неорганических соединений (H2O и H2S). У большинства бактерий окислительно-восстановительные процессы проходят с использованием атмосферного кислорода, т.е. отщепляющихся при окислении субстрата, водород соединяется с кислородом воздуха. Такой тип дыхания называется аэробным. У некоторых микроорганизмов акцептором водорода является кислород, содержащийся в связанном состоянии в неорганических соединениях азота или серы - в нитратах или сульфатах. Такое дыхание проходит в отсутствии атмосферного воздуха и называется анаэробным дыханием. Среди эукариот и прокариот известны микроорганизмы способные переключатся с кислородного существования на бескислородное их называют факультативными анаэробами (кишечная палочка). Наряду с этим существует и строгие анаэробы, которые при контакте с кислородом воздуха погибают. К таким относятся метанообразующие бактерии и др. В отличие от животных, микроорганизмы не могут поглощать высокомолекулярные вещества. Для их роста и развития необходимы низкомолекулярные вещества. Для роста и развития необходимы кроме органических и неорганических веществ: N. P. Na. K. Fe и другие макроэлементы, а также микроэлементы Co. Mo. Zn. Cu. W и другие. Как правило, для каждого из требуемых веществ, клетка имеет свою транспортную систему, которая локализована в цитоплазматической мембране. Важнейшим после углерода элементом для бактерий является азот. Часть микроорганизмов приобрела способность использовать его в газообразном состоянии. Этот процесс называется азотофикацией и имеет огромное экологическое и практическое значение.
Я попробую охарактеризовать более известные группы микроорганизмов.
а) Гетеротрофы - они не способны синтезировать органические соединения из простых неорганических, а должны получать их в готовом виде. Самая большая группа гетеротрофных бактерий - это "сопробионты". Они питаются мёртвым органическим материалом. Сопробионты бактерии и грибы ответственные за разложение и круговорот органического вещества в почве; многие образуемые при этом соединения имеют специфический запах.
б) Хемоавтотрофные бактерии получают энергию, необходимую для осуществления синтетических реакций, путём окисления неорганических веществ, которые обеспечивают их энергией подобно свету у фотосинтезирующих организмов. Бактерии, обитающие в глубоководных кратерах при температуре выше 360 градусов тоже хемосинтетики. Они получают энергию превращая сульфид водорода в серу, и кроме того обеспечивают энергией целое сообщество организмов живущих в полной темноте океанических глубин.
в) Архебактерии - это строгие анаэробы, метанообразующие бактерии - они обитают в желудочно - кишечном тракте жвачных животных, в сточных водах, болотах и в глубине моря. Большинство запасов природного газа связанно с деятельностью метанообразующих бактерий. Метанобактерии отличаются большим морфологическим разнообразием. Однако К. Уозом и его коллегами из Иллинского университета было доказано, что различные формы метанобактерий имеют гамотологические последовательные рРНК, что свидетельствует об их родстве. Удивительным оказался факт, что эти последовательности оснований резко отличаются от таковых в рРНК других бактерий и эукариот. На основании изложенных фактов было высказано предположения, что метанобактерии появились на Земле около 3-х миллиардов лет назад, когда атмосфера была бескислородой, но обогащённой CO2 и H2. Сейчас они обитают только в пределённых специфических условиях. Отличие метанобактерий от других групп бактерий привели к тому, что их можно отнести к отдельному царству - архебактерий.
А теперь можно подвести итог на основе вышеизложенного. Какие микробы приносят пользу, а какие вредят и даже вызывают многие смертельные, иногда болезни человека, животных и растений.
а) Различные группы микроорганизмов участвуют в отдельных этапах разложения и круговорота веществ, происходящих в почве. Многие бактерии и грибы располагают углеродосодержащиеся соединения и выделяют в атмосферу СО2. Наиболее важны органические вещества растительного - целлюлоза, лигнин, пектины, крахмал и сахар. Установлено, что более 90% СО2 образуется в биосфере в результате деятельности бактерий и грибов. Многие микроорганизмы используют процесс аммонификации - разложение аминокислот с выделением ионов аммония (NH2). Аммоний может окислить до нитрата (NO2-), а нитрит до нитрата (NO4-). Окисления аммония в нитриты и нитраты называют нитрификацией. Этот процесс идёт с выделением энергии. Де нитрификация - превращение нитратов в газообразный азот или оксид азота - приводит к уменьшению азота в почве. Процесс обратный де нитрификации, называется фиксацией азота. Из всех живых организмов только бактерии нескольких родов способны к фиксации атмосферного азота. Наиболее известные из них - это симбиотические бактерии, которые образуют клубеньки на корнях бобовых и некоторых других растений.
б) Болезни человека.
Некоторые болезни человека передаются воздушно - капельным путём. Такие как: бактериальная пневмония, коклюш, дифтерит. В настоящее время дифтерит встречается довольно редко, поскольку большинство детей вакцинируют против него. Возбудитель туберкулёза остаётся ещё причиной смерти многих людей, несмотря на усовершенствование методов диагностики лечения. Чума - острое инфекционное заболевание человека и животных. Вызывается бактериальной - чумной палочкой. Холера вызывает острые кишечно-желудочные расстройства и обезвоживание организма. Возбудитель - бактерия холерный вибрион. Переносится через воду, пищу.
Целый ряд других болезней бактериального происхождения передаётся через воду и пищу. Примером могут служить брюшной тиф, паратиф, дизентерия. Бруцеллез опасен как для животных, так и для человека, который заражается через молоко от инфицированной коровы. В 1976 году была впервые обнаружена "болезнь легионеров", которая передаётся через питьевую воду. От этой таинственной болезни лёгких погибло 34 члена Американского легиона на конференции в Филадельфии. Оказывается, что данная болезнь вызывается небольшой палочковидной бактерией с жгутиками. Эти бактерии из тёплой воды попадают в организм человека и быстро размножаются в моноцитах, белых клетках крови, играющею немалую роль в иммунитете. Установлено, что "болезнь легионеров" охватила в США около 50 тыс. человек, причём 15 - 20% с летальным исходом. Бактерии вызывают гниение продуктов питания и других органических материалов, и некоторые чрезвычайно опасны для человека.
в) Болезни растений.
Почти все растения подвержены бактериальному заражению. Большинство патогенов растений относятся к бациллам (палочковидным формам), многие из них паразитируют в растении - хозяине. Симптомы заболеваний, вызваны патогенными бактериям, разнообразны, большинство случаев - это пятна на стеблях, листьях, цветках и плодах. Многие наносящие экономический ущерб заболеваний растений, такие как ожог, яблонь и груши приводит к гибели молодых деревьев в течение одного сезона. Бактериальная мягкая гниль поражает мясистые запасающие части овощей, такие как клубни (картофель), луковицы, а также сочные плоды - томаты, баклажаны и мн. др. Бактериальные вилы проводящих тканей поражают только травянистые растения. Галл побегов, Галл сахарного тростника, волосяной или косматый корень, кольцевая гниль картофеля, пятнистость плодов, рак цитрусовых, ожог орехов, парша картофеля. Все эти заболевания растений вызваны микроорганизмами.
Микроорганизмы - это живые существа, имеющие своё строение и функции. Это существа, обитающие не в определённой точке Земного шара, а по всей планете. Их можно отнести: некоторых к полезным, а некоторых к вредителям, которые приводят к массовой гибели человека, животных и растений.
С древних времён человек использовал микроорганизмы для заготовки в прок фруктов и овощей, получение кисломолочных продуктов, в хлебопечении, виноделии, пивоварении. Сейчас область значения применения микроорганизмов в научной промышленности, в такой как селекция. Как правило, природные штампы микроорганизмов обладают незначительной "дозой" полезного для человека признака, поэтому после выделения микроорганизмов с нужным свойством, возникает задача усилить это свойство. В настоящее время такие задачи можно решить с помощью традиционных методов селекции или новых методов генетической и клеточной инженерии.
Генетическая инженерия - конструирование функционально активных химических структур (рекомбинантных ДНК), с последующим введением их в клетку прокариотного или эукариотного организма.
Клеточная инженерия - конструирование клеток с основным геном, путём искусственного объединения целых клеток. Селекция микроорганизмов и работа с их генетическим материалом значительно облегчает благодаря целому ряду свойств этих организмов. Они быстро растут и размножаются. Известно несколько этапов селекции.
1 этап - выделение или выбор микроорганизма, способного производить необходимый продукт. Выбор одного из многих разных организмов, способных производить один и тот же продукт, определяется многими факторами, например: продуктивностью, технологичностью организма, его изученностью и др.
2 этап - усиление способности отобранного организма к синтезу необходимого продукта.
Наиболее эффективный способ получения высокопродуктивных штампов - мутагенез. С некоторой долей условности можно считать, что бактериальная хромосома состоит из структурных и регулярных генов. В синтезе любого, даже самого простого вещества задействовано множество генов и ферментов. Для синтеза необходимо, чтобы в клетку поступил исходный материал - субстракт. Поступивший в клетку субстракт должен подвергнутся превращениям в процессе происхождения по метаболистическим путям, в результате чего образуется предшественник соответствующего продукта. В этом процессе также задействовано множество структурных и регулярных генов и ферментов. Таким образом, мутация, произошедшая в том или другом гене, может отразиться на образовании нужного продукта. В месте с тем, не всякая мутация может привести к сверхсинтезу интересующего селекционера вещества. Мутантные организмы могут быть получены и без какого-либо внешнего воздействия, в результате спонтанных мутаций. Однако вероятность их возникновения невелико. Для увеличения количества мутантных организмов используют индуцированный мутагенез. Клетки обрабатывают различными мутагенами: ионизирующим излучением или, чаще, УФ - светом; химическими мутагенами в виде растворов алкилирующих агентов или в виде газов. После определённого времени контакта мутагена с организмом, мутаген удаляют, а клетки высевают на соответствующею среду. В селекционной работе обычно используют такие дозы мутагенов, после воздействия которых выживает от 0,1 до 50-80% клеток. Среди колоний образованных клетками, подвергшимися действию мутагенов, проводится отбор мутантов с желательными свойствами. Известны два основных пути отбора мутантных штампов. Первый - это проверка результатов "случайных" мутаций с количественной оценкой искомого признака, например, синтеза аминокислоты, витамина и др. Этот приём используется в том случае, если селекционер не имеет сведений, его регуляции и т.д. При этом из выросших колоний отбирается подряд необходимое их количество и все они тотально проверяются на способность к синтезу искомого вещества.
Наиболее активные из отобранных продуцентов снова проводят мутагенному воздействию. Второй - это отбор мутантов, устойчивых к структурным аналогам метаболитов - аминокислот, пуринов, пиримидинов. Согласно этому методу, клетки, отобранные мутагеном, просевают в чашки Петри на минимальную среду, содержащий структурный аналог метаболита, например, аминокислоты. Этот аналог поступает в клетку и имитирует (для регуляторных систем клетки) избыток этого метаболита в среде, вызывая тем самым подавление синтеза настоящей аминокислоты. Клетки при этом расти, не могут т.к. структурный аналог аминокислоты не встраивается в полипептидную цепь и синтез белков прекращается. Однако через некоторое время появляются мутанты, преодолевшие тем или иным путём действие аналога и способных к дальнейшему развитию. Если при этом в результате мутации нарушалась регуляция синтеза аминокислоты т.е. синтез не подавляется даже при наличии избытка её в среде, то такие мутанты становятся сверхпродуцентами этого вещества. В этом случае все способные к росту и развитию клетки могут оказаться сверхпродуцентами. Бывает, что в результате мутации нарушается не регуляция синтеза вещества, а транспорт его аналога из среды в клетку. В этом случае синтез аминокислоты не подавляется, клетка растёт нормально, но сверхпродуцентом она не является. На основе использования мутагенеза удалось, например, повысить продуктивность штампов, синтезирующей пиницилин в 300-35 раз, а продуктивность штампов, образующих аминокислоту лизин в 300-400 раз Так же есть ещё один метод селекции микроорганизмов. Это один из методов клеточной инженерии - метод генетических рекомбинантов. Он основывается на слияние протопластов клеток.
После получения высокопродуктивного штампа какого-либо продукта встают проблемы хранения этого штампа и поддержания его высокой продуктивности. Существуют несколько методов длительного хранения культур продуцентов. Один из наиболее простых, но не самых эффектных методов является регулярный пересев штампа на свежую среду. При таком методе может происходить снижение продуктивности штампа из-за спонтанного метагенеза и постепенного отбора не самых высоко продуктивных клеток, а самых приспособленных к данным условиям культивирования.
В последние годы успешно применяется способ сохранения культур путём их глубокого и резкого замораживания, например, в жидком азоте, а в некоторых случаях и в сухом льде (в твёрдом состоянии).
Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельность в настоящее время широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.
Микробная биомасса используется как корм скоту. Микробная биомасса некоторых культур используется в виде разнообразных заквасок, которые применяются в пищевой промышленности. Так приготовлении хлеба, пива, вин, спирта, уксуса, кисломолочных продуктов сыров и многих продуктов. Другое важное направление-это использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности по природе этих веществ и по значимости для продуцента можно разделить на три группы.
1. группа - это крупные молекулы с молекулярной массой. Сюда относятся разнообразные ферменты (липазы и т.д.) и полисахариды. Использование их чрезвычайно широка - от пищевой и текстильной промышленности до нефтедобывающей.
2. группа - это первичные метаноболиты, к которым относится вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины и другие.
3. группа - вторичные метаноболиты. К ним относится: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста и др. Важное направление биотехнологии - использовании микроорганизмов как биотехнических агентов для превращения или трансформации некоторых веществ, очистки вод, почв или воздуха от загрязнителей. Также в добыче нефти микроорганизмы играют важную роль. Традиционным способом из нефтяного пласта извлекается не более 50% нефти. Продукты жизнедеятельности бактерий, накапливая в пласте, способствуют вытеснения нефти и более полному выходу её на поверхность.
Огромная роль микроорганизмов в создании поддержании и сохранении почвенного плодородия. Они принимают в участии в образовании почвенного перегноя - гумуса. Применяются в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.
В последние годы началось развиваться ещё одно принципиально новое направление биотехнологии - бес клеточная биотехнология.
Селекция микроорганизмов основана на том, что микроорганизмы приносят огромную пользу в промышленности, в сельском хозяйстве, в животном и растительном мире.
Существование вирусов было впервые установлено при изучении мозаичной болезни табака. До 1930-х годов вирусы рассматривались как мельчайшие бактерии. В 1933 году эта точка зрения была опровергнута. Уэндел Стэнли, работавший в Рокфеллеровском институте, получил экстракт вируса табачной мозаики и инфицированных растений и очистил его. Очищенный вирус осаждался в виде кристаллов. Кристаллизация - это один из главных тестов на наличии химически чистого соединения, не содержащего примеси: таким образом, стало ясно, что химической точки зрения вирус намного проще живого организма.
Империя до клеточных состоит из единственного царства - вирусы. Это мельчайшие организмы, их размеры от 12 до 500 мкм. Лишь самые крупные вирусы (оспа) можно увидеть при очень большом увеличении (в 1800 - 7200 раз) оптического микроскопа. Размеры мелких вирусов равны крупным молекулам белка. Вирусы - паразиты клеток животных, растений, бактерий. Вирусы бактерий называются - бактериофагами.
Важнейшие особенности Они могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не могут размножаться вне клеток тех организмов, в которых паразитируют.
Содержат лишь один из типов нуклеиновых кислот ДНК или РНК.
Вирусы в первые были открыты в 1892 г. выдающимся русским биологом Д.И. Ивановым, который стал основателем вирусологии.
Сейчас известно около 200 форм животных вирусов, 170 растительных вирусов и 50 бактериальных вирусов. Никто не знает, сколько существует вирусов, почти всегда можно выделить новые вирусы.
Немалую роль вирусы играют в эволюции организмов. Вирусы - мощный мутагенный фактор. После вирусных заболеваний у человека и животных резко возрастает число повреждённых хромосом. Таким образом, вирусы являются поставщиками новых мутаций для естественного отбора. Геном вируса может включаться в геном хозяина, и вирусы могут переносить генетическую информацию. С помощью электронного микроскопа изучена структура вирусов. Вирус табачной мозаики, например имеет палочковидную форму; его длина составляет 300нм и диаметр 15нм. В состав вируса входит единственная молекула РНК в 6000 нуклеотидов. Выводя основные группы вирусов такие как РНК - содержащиеся вирусы, ДНК - содержащиеся вирусы, вироиды и многие другие. Одно-цепочные РНК - содержащиеся вирусы подразделяются на вирусы позитивным (плюс нитевым) и негативным (минус нитевым) геномами. В первом случае РНК функционирует как матричная, во втором случае на ней образуется комплиментарная цепь, которая служит для синтеза мРНК вируса. Позитивные делятся на оболочные и безоболочные. Например, вирус табачной мозаики имеет оболочку, а вирус полиамилита и ящура не имеет оболочку. К позитивным вирусам относятся арбовирусы они переносят жёлтую лихорадку.
Негативные вирусы вызывают бешенство, корь, свинка, болезнь Ньюкасла домашних птиц.
ДНК содержащиеся вирусы вызывают паппиломы и герпес. Заражение герпесом приводит к появлению язвенных и гнойных пузырьков. Также герпес вызывает заболевание половых органов, ветряную оспу, лишай и некоторые виды рака. Гепатит "Б" вызывает, содержащиеся частично двух цепочную ДНК, а гепатит "А" вызывает РНК - содержащихся вирусов. Вероиды - это мельчайшие из известных возбудителей болезни; они намного меньше вирусных генов и лишены белковой оболочки. Известные вероиды растений, они состоят из однонитевой молекулы РНК, которая автономно реплицируется в заряжённых клетках. Один из вироидов стал причиной гибели миллионов кокосовых пальм на Филиппинах.
Вирусы также поражают бактерии, которые называются бактериофагами или фагами. Один из распространенных фагов - Т4. Он имеет сложную структуру, чем у вирусов. Длина его 100нм, а сам фаг состоит из пяти "частей": чехла отростка, способного к сокращению, базальной пластинки и нитей отростка. Длинная молекула ДНК уложена в виде спирали головки фага.
Вирусы размножаются, используя генетический аппарат клетки. Размножение вируса происходит в три этапа: вирусные нуклеиновые кислоты "заставляют" клетку синтезировать новые вирусы ферменты; синтезируются в необходимом количестве вирус специфические нуклеиновых кислот и белков; происходит сборка вирусных частей.
Основное свойство вирусов - инфекция!
В современном мире человечество ищет такой препарат, который мог бы заставить исчезнуть СПИДу.
Синдром приобретённого иммунной дефицита (СПИД) впервые обнаружен в 1981 году в Калифорнии (США). Вирус иммунной дефицита человека (ВИЧ) передаётся через кровь и поражает иммунную систему человека, который становится беззащитным против других болезней. Человек, заражённый СПИДом, может не болеть в течение пяти лет. Лекарств против СПИДа нет. И ещё не удалось спасти ни одного человека. В 1993 году число заражённых СПИДом достигло 15 миллионов человек. Первое декабря объявлен днём всемирной борьбы с о СПИДом. Единственная спасение от СПИДа - личная профилактика т.е.:
Пользование одноразовыми шприцами.
Личная гигиена.
Пользоваться презервативами.
Оспа - вирусная инфекционная болезнь, исчезнувшая в 20 веке в бывшем СССР, оспа не отмечалась с 1937 года. Последний случай был зарегистрирован осенью 1977 году в Эфиопии. В 1980 году "ВОЗ" (всемирная организация здравоохранения) официально объявила о полной ликвидации оспы на Земле.
И наконец грипп, который образует целые эпидемии приводящие к летальному исходу. Зимой 1968/69 года в США было зарегистрировано 50 млн. случаев кон конского гриппа, при этом 70000 человек погибло. Колоссальная эпидемия гриппа 1918/19 г. охватила весь земной шар, проходила в виде трёх волн и унесла 20 млн. человек.
Более тысячи известных заболеваний растений вызываются вирусами, относящиеся примерно к 100 различным типам. Вирусные болезни растений, как правило, распространяются с помощью беспозвоночных - насекомых. Сосущие насекомые, такие как тля и цикадки переносят вирус вместе с соком. Вирусы растений содержат РНК, за исключением каулимовирусы и геминивирусы. В большинстве случаев капсид вирусов растений состоит из одного типа белка.
Вирусы вызывают рак у многих групп животных. Помимо ретро вирусов существует группа ДНК - содержащиеся. Герпесвирусов (вирус Эпгитейна-Барр), вызывающий два типа рака у человека.
Вирусы - это паразиты. Поражающие все живые организмы включая бактерии. Они создают великую угрозу для человека. Проявляют неизлечимые болезни.
Страницы: 1, 2
