Микроорганизмдердің физиологиясы және генетикасы

Адам пайдаланды бактериялар әлі біле тұра, олардың бар екендігі. Көмегімен ашытқыны, құрамында Бактериялар, приготовляли қышқыл сүт өнімдері, сірке суы, қамыр және т. б. Алғаш рет бактерияларды көрген А. Левенгук — жасаушы микроскоптың зерттей келе, өсімдік тұнбалар және тіс ұшу. Соңында 19 — жылына 20 ғасырларда бөлінді, үлкен саны бактериялар мекендейтін топырақта, суда, тамақ өнімдерінде және т. б. ашылып, көптеген түрлері, ауру тудыратын бактериялар. Классикалық зерттеулер Л. Пастердің физиология саласындағы бактериялар үшін негіз болды зерттеу, оларда зат алмасу. Зерттеуге қосқан бактериялар енгізді орыс және кеңестік ғалымдар С. Н. Виноградский, В. Л. Омелянский, Л. Исаченко, выяснившие рөлі бактериялар круговороте заттар табиғатта, ол мүмкін өмір. Бұл бағыт микробиология дамуымен тығыз байланысты геология, биогеохимии, топырақтану, оқу-жаттығу В. И. Вернадский биосфера туралы.

Физиологиясы микроорганизмдердің тіршілігін зерттейді микробтық жасушалар, процестер, олардың тамақтану, тыныс алу, өсу, көбею, заңдылықтарын, қоршаған ортамен өзара байланыс.

Анықтау физиология, осы микроорганизмдер маңызды қою үшін микробиологиялық диагноз, емдеу және жұқпалы аурулардың алдын алу, реттеу қарым-қатынас жануарлар ағзасының қоршаған ортамен байланысы.

Генетика (грек genesis — шығу тегі) — тұқымқуалаушылық және өзгергіштік туралы ғылым организмдер. Начало генетика ғылым ретінде қаланды Мендель, скрещивая өзара сұрыпты бұршақ сапалы различающимися белгілері, мынаны анықтады негізгі заңдылықтары, тұқым қуалаушылық. Зерттеу және талдау заңдарын беру тұқым қуалайтын белгілердің ұрпақтан ұрпаққа, сондай-ақ анықтауды қамтамасыз ететін тетіктерді мұрагерлік ұйымдастырудың барлық деңгейлерінде тірі жаратылыстар, басты мақсаты болып табылады генетика. Генетиктердің арқасында мүмкін болды бірлескен жұмыс микробиологтар, генетиков, химик және физиктердің, олар өз зерттеулерінде пайдаланды микроорганизмдер. Дәл осы бактериялар мен вирустар қалсаңыз, ең қарапайым және ыңғайлы моделін мәселесін шешу үшін, молекулалық генетика.

1. Химиялық құрамы

Химиялық құрамы бойынша бактериялар айырмашылығы жоқ жасуша басқа да организмдердің. Бактериялық клетка құрамында 80% су-20% құрғақ қалдық. Шамамен 90% құрғақ қалдық бактериялар құрайды жоғары молекулалы қосылыстар: нуклеин қышқылы (10%), белоктар (40%), полисахаридтер (15%}, пептидогликон (10%), липидтер (15%); қалған 10% — ын моносахара, амин қышқылдары, азотты негіздер, органикалық емес тұздар мен басқа да низкомолекулярные қосылыстар. Су — негізгі компонент бактериялық жасушалар. Ол еркін немесе байланысқан жай-күйі құрылымдық элементтері жасушалары. Дауларда судың мөлшері азаяды дейін 18-20%. Су еріткіш үшін көптеген заттар, сондай-ақ орындайды механикалық қамтамасыз етудегі рөлі тургора. Кезінде плазмолизе — потере торымен судың гипертоническом ерітіндісінде — жүреді отслоение протоплазмы жылғы жасушалық қабықшаның. Жою судың жасушалар, кептіру тоқтата тұрады процестер метаболизм. Микроорганизмдердің көпшілігі кептіруді жақсы көтереді. Су жетіспеген жағдайда микроорганизмдер болмайды көбейеді. Кептіру вакуумда келген мұздатылған жай-күйін (лиофилязация) тоқтатады көбейту және ықпал етеді ұзақ сақтау микробтық дарақ.

Ақуыздар (40-80% құрғақ салмағының) анықтайды маңызды биологиялық қасиеттері бактериялар мен тұрады әдетте байланыс 20 амин қышқылдары. Құрамына бактериялар кіреді диаминопимелиновая қышқылы, жоқ жасушаларында адам және жануарлар. Бактериялар құрамында 2000-нан астам түрлі белоктар тұрған, құрылымдық компоненттері мен қатысатын процестер метаболизм. Көп бөлігі белоктар ие ферменттік белсенділігі. Белоктар бактериялық жасушалар негіздейді антигендік және иммуногенность, вируленттілігі, видовую тиесілігін бактериялар.

Нуклеин қышқылы бактериялар орындайды функциялары ұқсас нуклеиновым қышқылдарға эукариоттық жасушалар: ДНК молекуласы түрінде хромосоманың жауап береді, тұқым қуалаушылық, рибонуклеиновые қышқылы (ақпараттық немесе матрицалық, көлік және рибосомная) қатысады нәруыз биосинтезі барысында.

Көмірсулар бактериялар ұсынылған қарапайым заттармен (моно — және дисахаридтер) және кешенді қосылыстары. Полисахаридтер жиі құрамына кіреді капсула. Кейбір внутриклеточные полисахаридтер (крахмал, гликоген және т. б.) болып табылады қосалқы қоректік.

Липидтер негізінен құрамына кіреді цитоплазматической мембраналар және оның туынды, сондай-ақ клеткалық қабырғасының бактериялар, мысалы, сыртқы мембрана, сонымен қатар, биомолекулярного қабаты липидтер бар ЛПС. Липидтер орындай алады в цитоплазме рөлі қосалқы қоректік заттар. Липидтер бактериялар ұсынылған фосфолипидтер, май қышқылдары және глицеридами. Ең көп саны липидтер (40% дейін) қамтиды мвкобактерии туберкулез.

Минералды заттар бактериялардың табу күлдегі кейін жағу жасушалар. Үлкен саны анықталады, фосфор, калий, натрий, күкірт, темір, кальций, магний, сондай-ақ микроэлементтер (мырыш, мыс, кобальт, барий, марганец және т. б.). Олар реттеуге қатысады осмостық қысым, рН ортасы, тотығу-қалпына келтіру потенциалын, активируют ферменттер құрамына кіреді, ферменттер, витаминдер және құрылымдық компоненттерін микробтық жасушалар.

Тамақтану, тыныс алу және бактериялардың көбеюі

Тамақтану бактериялар

Тамақтану ерекшеліктері клеткасының тұрады түскен қоректік субстраттар арқылы ішке барлық оның беті, сондай-ақ жоғары жылдамдығы процестер метаболизм және өзгермелі жағдайларға бейімдеу қоршаған ортаны қорғау.

Тамақтану түрі. Кең таралуына бактериялардың ықпал етеді типтерінің әртүрлілігі. Микроорганизмдер мұқтаж углеводе, азотта, сері, фосфоре, калии және басқа да элементтері. Көздеріне байланысты көміртегі қоректену үшін, бактериялар бөлінеді аутотрофы (грек тіл. autos компаниясының автокөліктерін — өзім, trophe — тамақтану) пайдаланатын құру үшін өз жасушаларының көміртегі диоксиді, С02 және басқа да органикалық емес қосылыстар, және гетеротрофы (грек тіл. heteros -басқа, trophe — тамақтану) қоректенетін есебінен дайын органикалық қосылыстар. Аутотрофными бактериялар болып табылады нитрифицирующие бактериялар жүрген топырақта; серобактерии мекендейтін суда күкіртсутегімен; железобактерии тұратын суда закисным темірмен, және т. б.

Гетеротрофы, утилизирующие органикалық қалдықтары солған организмдердің қоршаған ортада деп аталады сапрофитами. Гетеротрофы туғызатын ауру адам немесе жануарлар жатады, патогенным және шартты-патогенным. Арасында патогенді микроорганизмдер кездесетін облигатные және факультативті паразиттер (грек тіл. parasitos — нахлебник). Облигатные паразиттер қабілетті ғана өмір сүре ішінде бар. мысалы, риккетсиялар, вирустар және кейбір қарапайымдылар. Байланысты окисляемого субстрат деп аталатын донор электрондар немесе сутегі, микроорганизмдер екі топқа бөледі. Микроорганизмдер, пользующие донор ретінде сутегі органикалық емес қосылыстар деп атайды лйтотрофнымн (грек тіл. lithos — тас), ал микроорганизмдер пайдаланатын донор ретінде сутегі органикалық қосылыстар — органотрофами. Ескере отырып, энергия көзі, бактериялар ажыратылады фототрофы, т. е. фотосинтезирующие (мысалы, көк-жасыл балдырлар пайдаланатын энергия жарық), және хемстрофы мұқтаж химиялық энергия көздері.

Тетіктері. Түсімі әртүрлі заттарды бактериальную тор көлеміне байланысты және ерігіштік олардың молекулаларының қр липидах немесе суда, рН ортасын, заттардың концентрациясын әр түрлі факторлардың өтімділік мембраналар және т. б. Клетка қабырғасы өткізеді шағын молекулалар мен иондар, жасай макромолекулы массасы 600 Т., Негізгі реттеушісі түскен заттарды тор болып табылады цитоплазматическая мембранасы. Шартты түрде бөлуге болады төрт тетігін ену қоректік заттардың бактериальную тор: бұл қарапайым диффузия, жеңіл диффузия, белсенді транспорт, транслокация.

Ең қарапайым механизмі түскен заттарды тор — қарапайым диффузия, орын ауыстыруы, заттардың кристалдануы салдарынан айырма олардың концентрациясын екі жағынан цитоплазматической мембраналар. Заттар арқылы өтеді липоик бөлігі цитоплазматической мембраналар (органикалық молекулалар, дәрілік препараттар) және сирек жөніндегі толтырылған сумен арналар арқылы цитоплазматической мембране. Белсенді емес диффузия арқылы жүзеге асырылады шығындар энергия.

Жеңіл диффузия жүреді, сондай-ақ, айырма нәтижесінде заттардың концентрациясын екі жағынан цитоплазматической мембраналар. Алайда, бұл процесс көмегімен жүзеге асырылады молекулалардың тасымалдаушы, локализующихся » цитоплазматической мембране ие және спецификалы. Әрбір переносчик тасымалдайды мембрана арқылы тиісті зат береді немесе басқа компонент цитоплазматической мембраналар — өзіндік переносчику. Ақуыз-энтомологиялық мүмкін пермеазы, орын синтез-цитоплазматическая мембранасы.

Жеңіл диффузия ағады жоқ шығындар энергия, заттар жылжиды неғұрлым жоғары концентрациясы анағұрлым төмен.

Белсенді көлік арқылы жүреді пермеаз бағытталған көшіру заттардың аз концентрация жағына қарай үлкен де, ағынға қарсы, сондықтан бұл процесс жүреді жұмсап, метаболической энергия (АТФ) түзілетін, нәтижесінде тотығу-тотықсыздану реакциялардың клеткадағы.

Көшіру (транслокация) топтардың сходен белсенді көлігімен отличаясь деп көшірілетін молекуласы видоизменяется процесінде көшіру, мысалы фосфорилируется.

Шығу заттардың жасушалар есебінен жүзеге асырылады диффузия және қатысуымен көлік жүйелері.

Бактериялардың тыныс алуы

Тыныс алу немесе биологиялық тотығу, негізделген тотығу-тотықсыздану реакциялар, жаяу біліммен АТФ — әмбебап батарея химиялық энергия. Энергия қажет микробтық клеткадағы үшін оның тіршілік. Тыныс алу кезінде аурудың процестер тотығу және қалпына келтіру: тотығу — қайтарым донор (молекулалар немесе атомдарымен) сутегі немесе электрондардың қалпына келтіру; — қосылу сутегі немесе электрондар — акцептору. Акцептором сутегі немесе электрондардың мүмкін молекулалық оттегі (мұндай тыныс алу деп аталады аэробным) немесе нитраты, сульфат, фумарат (мұндай тыныс алу деп аталады анаэробты — нитратным, сульфат, фумаратным). Анаэробиоз (грек тіл. аег — ауа + bios — өмір) — тіршілігін, ағып болмаған кезде еркін оттегі. Егер донор мен акцепторами сутегі болып табылады органикалық қосылыстар, онда мұндай процесс деп аталады брожением. Кезінде брожении жүреді ферментативное расщепление органикалық қосылыстар, негізінен көмірсулар, анаэробты жағдайда. Ескере отырып, түпкілікті өнім ыдырату көмірсулар ажыратады спирттік, сүт қышқылды, уксуснокислое және басқа ашу түрлері.

Қатысты молекулярному оттек бактерия бөлуге болады үш негізгі топтары: облигатные, т. е. міндетті, аэробы, облигатные аэробтар және факультативті аэробтар. Облигатные аэробы өсуі мүмкін болған кезде ғана оттегі. Облигатные аэробтар (клостридии ботулизм, газды гангрена, сіреспе, бактероиды және т. б.) өсуде тек оттегі жоқ ортада, олар үшін уытты. Кезде оттегінің бактериялар құрайды перекисные радикалдар оттегі, соның ішінде сутегі және супероксид-анион оттегінің улы облигатных анаэробты бактериялардың, өйткені олар құрайды тиісті инактивирующие ферменттер. Аэробтық бактериялар инактивируют сутегі және супероксидантом тиісті ферменттермен (каталазой, пероксидазой және супероксиддисмутазой). Факультативті аэробтар өсуі мүмкін қалай болған да, болмаған жағдайда оттегі, өйткені олар қабілетті ауыса отырып, тыныс қатысуымен молекулярлық оттегінің ашу, оның жоқтығы. Факультативті аэробтар жүзеге асыруға қабілетті анаэробтық тыныс деп аталатын нитратным: нитраты болып табылатын акцептором сутегі қалпына келтіріледі дейін молекулярлық азот және аммиак.

Арасында облигатных анаэробтар ажыратады аэротолерантные бактериялар, олар сақталады болған жағдайда молекулярлық оттегі, бірақ оны пайдаланады.

Өсіру үшін анаэробтар бактериологиялық зертханаларда қолданады анаэростаты — арнайы ыдыстар, ауа қоспасымен ауыстырылады газдар, құрамында оттегі. Ауа қалай жоюға бірі қоректендіру ортасын қайнату арқылы, көмегімен, химиялық адсорбенттерді оттегі, орналастырылатын анаэростаты немесе басқа да ыдыстарға себілген.

Бактериялардың көбеюі

Тыныс-тіршілігін бактериялардың өсуімен сипатталады және көбейтуге. Астында өсуімен жиі түсінеді, сондай-ақ санын ұлғайту дарақтардың көлемінің бірлігіне ортаны, ол, алайда, дұрыс жатқызуға көбейту бактерия популяциясының. Өсуі болады тіркеуге көзбен микроскоппен, экрандағы фотосуреттерде және боялған препараттар.Қарқыны мен сипаты, өсу бактериялардың пішіндері әртүрлі ерекшеленеді. У палочковидных бактериялардың қабырғасы мен салмағы өсуде біркелкі, шаровидных — бактериялар біркелкі: массасы пропорционалды куба, ал қабырғасы — барабар квадрату радиусы жасушалар. Сондықтан кокктар алдымен өсіп келеді тез, содан кейін өсуі олардың массасын тежелуде қалумен өсу қабырғасының.

Көбейту — самовоспроизведение көбейтуге әкеп соғатын санын бактериялық жасушалар популяциясы. Бактериялар көбейеді арқылы, бинарлық бөліну екіге, кейде жолымен почкования. Жасушалардың бөлінуіне алдында репликация бактериялық хромосоманың бойынша полуконсервативному типі (двуспиральная тізбегі ДНҚ ашылады және әрбір жіп достраивается комплементарной жіппен) әкеліп соқтыратын екі еселеу молекулалардың ДНК бактериялық ядро — нуклеоида. Репликация-хромосомалық ДНК арқылы жүзеге асырылады, бастапқы нүктеге шығады. Хромосома клеткасының байланысты саласындағы оп бастап цитоплазматической мембраной. Репликация ДНК жылдамдатылады ДНК-полимеразами. Алдымен жүреді раскручивание (деспирализация) екі мақсатқа ДНК нәтижесінде құрылады репликативная шанышқы (тармақталған тізбек); бірі тізбектерін, достраиваясь байланыстырады, нуклеотидтер 5′- және 3′ — соңында, басқа достраивается посегментно.

Репликация ДНК жүреді үш кезеңнен тұрады: бастама, элонгация, немесе өсуі, тізбектің және терминация. Нәтижесінде пайда болған репликация екі хромосоманың тарайды септігін тигізетін мөлшерін ұлғайту өсіп келе жатқан жасушалар: қыстырылған — цитоплазматичеекой мембране немесе оның туынды (мысалы, мезосомам) хромосоманың көлемінің көбеюіне байланысты жасушалар жойылады бір-бірінен. Түпкілікті олардың жекелену аяқталады білімі бар кермелер немесе қалқалар бөлу. Жасушалар қалқамен бөлу тарайды іс-әрекеттің нәтижесінде аутолитических ферменттер, қирату сердцевину қалқалар бөлу. Аутолиз бұл ретте өтуі мүмкін біркелкі: жасушалар бір учаскесінде қалады байланысты бөлігі клеткалық қабырғасының саласындағы қалқалар бөлу, мұндай жасушалар орналасады бұрышпен бір-біріне.

3. Тұқым қуалаушылық және генетикалық рекомбинации у бактериялар

Артықшылығы микроорганизмдердің үстінен басқа организмдермен тұрады, ең алдымен, жоғары жылдамдықта көбею, гаплоидности және үлкен рұқсат беретін қабілеті әдістерін генетикалық талдау осы организмдер. Қалыптастыру қоректік орталарда миллиардтаған бактериялар популяциясының бір тәулік ішінде жүргізуге мүмкіндік береді тез және дәл талдау болып жатқан, олардың сандық және сапалық өзгерістер. Салыстырмалы қарапайымдылығы қою эксперимент негіздейді тиімділігі селективті талдау микробтық популяцияның және бөлу бірлі-дарақ, мутировавших жиілігі 10 және одан жоғары. Ақырында, гаплоидность бактериялардың бар айырмашылығы эукариотов бір хромосому, яғни бір топқа ілінісу, гендердің, негіздейді жоқтығын құбылыс үстемдігінің мүмкіндік береді тез анықтау мутировавших гендердің.

Тұқым қуалаушылықтың материалдық негізі айқындайтын генетикалық қасиеттері барлық организмдердің, соның ішінде бактериялар мен вирустар болып табылады хромосома білдіретін үлкен молекула бар ДНК түрінде қос спираль, тұйық сақина. Ол тасымалдаушысы болып табылады генетикалық ақпарат. Хромосоманың бойында желілік орналасады генифунхционально әртүрлі генетикалық детерминанты, яғни фрагменттері ДНК молекулалары», бақылаушы синтездеу бір ақуыз немесе жасалынған. Гендердің жиынтығы, тұйық в гаплоидном (жалақы) хромосомалардың жиынтығы, осы ағза деп аталады геномом немесе генотипі. Кең мағынада генотип — жиынтығы барлық тұқым қуалайтын факторларының ағзаның, ядролық (геном), сондай-ақ ядролық емес, тыс хромосомдық (пластидные және цитоплазматические) тұқым қуалайтын факторлар. Генотип — тасушы тұқым қуалаушылық ақпарат ұрпақтан ұрпаққа. Ол жүйесін білдіреді, бақылау фенотипі организм. Фенотипом болып табылады сыртқы түрі, ағзаның барлық сыртқы және ішкі белгілері бар. Фенотипі бактериялардың бар өзара іс-қимыл нәтижесі оның генотиптерін және қоршаған орта. Пайда болуы организмде жаңа тұқым қуалаушылықпен берілетін қасиеттерінің мүмкін тұрмысы туындаған әр түрлі типтері өзгерістер генетикалық аппараты. Көзі дәйекті өзгергіштік мүмкін мутациялар гендердің. Астында мутацией түсінеді кенеттен табиғи (спонтанды) немесе туындаған жасанды (индуцированные) тұрақты өзгерістер тұқым қуалайтын құрылымдардың (гендердің, хромосомалардың), сондай-ақ негізделген олардың түрлі өзгерістер қасиеттері мен белгілері организм. Бұл ретте қос спиральді ДНҚ алуы мүмкін мынадай өзгерістер енгізілсін:

— алмастыру жұп негіздер орын алған бастапқы ДНҚ молекуласындағы басқа жұп;

— жоғалту жұп негіздердің бірі ДНК молекулалары;

— жаңа жұп негіздердің молекула бар ДНК;

— инверсия — бұрылу бірнеше жұп негіздер 180 ° С.

Осылайша, негізінде мутациялар жатыр молекулярлық өзгеріс хромосомада. Мутациялар у бактериялардың кезінде анықталатын тұқым қуалайтын өзгерістер кез келген белгі микроба. Сыныпталады мутациялар шығу тегі бойынша, оқшаулау арналған хромосомада жасушалары және басқа да белгілері. Мұндай бөлу шартты сипатқа ие. — Спонтанным мутациям жатқызады мұндай мутациялар себептері, пайда болу қиын, тіпті мүмкін емес байланыстыру әрекетімен белгілі бір фактордың (мутагена). Олар құрылады лифті өздігінен қозғалып кетуі кез келген микроорганизмдер популяциясының жоқ көрінетін сыртқы әсер. Спонтанды мутанты құрылады дейін әсер селекционирующих факторлар ғана іріктейді белгілері, қалыптасқан осы популяцияның мутировавших бактериялық жасушалар. Мысалы, антибиотикорезистентные жасушалары просуществуют да сезімтал бактериялық популяцияның емес, құрылады әсерінің нәтижесінде оған тиісті антибиотик. Соңғы тек селекционирует төзімді дарақтар үшін жағдай жасай отырып, олардың көбею. Индуцирующие мутациялар нәтижесінде пайда болады өңдеу микроорганизмдердің мутагенными агенттер (ультракүлгін және рентгеновые сәулелері, жылдам нейтрондар және протоны, қолданысқа температураға, қышқылдар, сілтілер, бояғыштар, тұздар, металдар және т. б.)

Әр түрлі мутагены бойынша ерекшеленеді белсенділігін және әсер ету механизмі. Бір тудырады санын өзгерту және құрылымын, хромосомалардың басқа да өзгертеді реттілігі азотты негіздер ДНҚ молекуласындағы.

Мутагены пайдаланылады ауыл шаруашылығы өсімдіктері селекциясы және микроорганизмам алу мақсатында өнімді және пайдалы нысандары.

Микроорганизмам және жоғары ағзаларға тән генетикалық рекомбинации.