3482

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова

Общая биология и микробиология

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология

Воронеж 2017

Брындина Л. В. Общая биология и микробиология [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология [Текст] / Брындина Л.В.; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова», –

Воронеж, 2017. – 25 с.

Изучение дисциплины «Общая биология и микробиология» должно способствовать достижению студентами следующих целей и задач:

- получение теоретических знаний по общей микробиологии: морфологии, физиологии и биохимии микроорганизмов, по основам их систематики, по действию экологических факторов на микроорганизмы;

-изучение различных видов микроорганизмов, используемых в промышленности, а также тех процессов, которые вызываются этими микроорганизмами;

-изучение основ микробиологического и санитарно-гигиенического контроля на предприятиях и его роли в получении продукции высокого качества;

-ознакомление студентов с внешним видом, строением и функциями микроорганизмов, с их распространением в природе и их ролью в процессах

превращения органических и минеральных веществ; - использование положений микробиологической науки для выработки обобщенных представлений о жизни, целостности живой природы и

проработку отдельных вопросов по некоторым разделам дисциплины. Такая работа дает возможность студентам получить навыки работы с конспектом лекций, рекомендуемой литературой, а также анализировать полученные данные, связать имеющиеся знания с новыми положениями, усваивать методы изучения объектов и правильного оформления рисунков, овладевать методами и структурой изложения (как в письменной, так и в устной форме). Базовой основой теории являются лекции. На лекциях студенты должны обязательно записывать название темы и план лекции, которые даются преподавателем. Согласно плану рассматриваются отдельные вопросы, как теоретические, так и выносимые на лабораторные занятия. Следует фиксировать основные положения, отмечать не вполне ясный материал, чтобы поднять эти вопросы при обсуждении. Кроме того, студентам на лекциях следует обратить внимание на источники получения информации; они даются при изучении темы в виде методических учебных пособий, научных разработок, пособий, имеющихся в библиотеке и на кафедре. В конце лекций следует записывать вопросы, выносимые на обсуждение. Конспект лекции - основной, но не единственный материал, с которым студент самостоятельно работает. В последнее время студенты часто и с большой эффективностью используют Интернет. Интернет, а также реферативные журналы серии «Биология» становятся главными источниками информации, так как позволяют оперативно входить в курс актуальных проблем современной биологии. Главное здесь - не бездумно перекачивать информацию, а пропустить ее через себя, творчески переработать. Самостоятельная работа с альбомами предполагает зарисовки биологических

объектов карандашами и подписи важных элементов рисунков ручками. Следует правильно оформлять рисунки. В верхней части альбомного листа обязательно записывается название темы и далее систематика биологического объекта. Делая зарисовку, следует помнить, что сам препарат или биологический объект является прототипом, а не рисунок в методическом пособии. Последний играет вспомогательную роль и обращает внимание на трудноразличимые детали. Выполненная работа представляется преподавателю.

Тема 1. Минеральное питание клеток. Дефицит минеральных веществ. Способы получения незаменимых элементов.

Минеральные вещества играют исключительно важную роль в жизни живых организмов. Наряду с органическими веществами минералы входят в состав органов и тканей, а также участвуют в процессе обмена веществ.

Все минеральные вещества, исходя от их количественного содержания в организме человека, принято разделять на несколько подгрупп: макроэлементы, микроэлементы и ультраэлементы.

Макроэлементы представляют собой группу неорганических химических веществ, присутствующих в организме в значительных количествах (от нескольких десятков граммов до нескольких килограммов). К группе макроэлементов относятся натрий, калий, кальций, фосфор и др.

Микроэлементы встречаются в организме в гораздо меньших количествах (от нескольких граммов до десятых долей грамма и менее). К таким веществам относятся: железо, марганец, медь, цинк, кобальт, молибден, кремний, фтор, йод и др.

Ультрамикроэлементы, содержатся в организме в исключительно малых количествах (золото, уран, ртуть и др.).

Роль минеральных веществ в организме

Минеральные (неорганические) вещества входящие в структуру организма выполняют множество важных функций. Многие макро и микроэлементы являются кофакторами ферментов и витаминов. Это значит, что без молекул минеральных веществ витамины и ферменты неактивны и не могут катализировать биохимические реакции (основная роль ферментов и витаминов). Активация ферментов происходит посредством присоединения к их молекулам атомов неорганических (минеральных) веществ, при этом присоединенный атом неорганического вещества становится активным центром всего ферментативного комплекса.

Вся совокупность макро и микроэлементов обеспечивает процессы роста и развития организма. Минеральные вещества играют важную роль в регуляции иммунных процессов, поддерживают целостность клеточных мембран, обеспечивают дыхание тканей.

Поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма, предусматривает в первую очередь поддержание качественного и

количественного содержания минеральных веществ в тканях органах на физиологическом уровне. Даже небольшие отклонения от нормы могут повлечь самые тяжелые последствия для здоровья организма.

Источники минеральных веществ

Основным источником минеральных веществ для человека, является потребляемая вода и пища. Одни минеральные элементы распространены повсеместно, а другие встречаются реже, и в меньших количествах. В наши дни, при условии нарушенной экологии, лучшим источником могут быть БАД (биологически активные добавки) и очищенная минерализованная вода. Различные пищевые продукты содержат различное количество минеральных веществ. Так, например, в коровьем молоке и молочных продуктах содержится более 20 различных минералов, среди них наиболее важными являются железо, марганец, фтор, цинк, йод. Мясо и мясные продукты содержат такие микроэлементы как серебро, титан, медь, цинк, а морские продукты – йод, фтор, никель.

Заболевания, вызванные недостачей минеральных веществ чаще всего встречаются в определенных регионах земного шара, где в силу геологических особенностей природная концентрация того или иного микроэлемента ниже чем в других районах. Хорошо известны так называемые эндемические зоны йододефицита, в которых часто встречается такое заболевание как Зоб – следствие недостатка йода.

Однако, гораздо чаще дефицит минеральных веществ в организме встречается из-за неправильного (несбалансированного) питания, а также в определенные периоды жизни и при некоторых физиологических и патологических состояниях, когда потребность в минеральных веществах возрастает (период роста у детей, беременность, кормления грудью, различные острые и хронические заболевания, менопауза и пр.).

Калий – является основным ионом внутриклеточной среды. Его концентрация в крови во много раз меньше чем внутри клеток. Этот факт является очень важным для нормального функционирования клеток организма. Подобно натрию, калий участвует в регуляции электрической деятельности органов и тканей.

Основным источником калия для человека являются свежие овощи и фрукты. Кальций. Общая масса кальция в организме взрослого человека составляет примерно 4 килограмма. Причем основная его часть сконцентрирована в костной ткани. Соли кальция и фосфорной кислоты являются минеральной основой костей. Помимо минералов, кости содержат и некоторое количество белков, образующих своеобразную сеть на которой осаждаются минеральные соли. Белки придают костям гибкость и упругость, а минеральные соли – твердость и жесткость. Несколько граммов кальция содержится в различных органах и тканях. Здесь кальций играет роль регулятора внутриклеточных процессов. Так, например, кальций участвует в механизмах передачи нервного импульса от одной нервной клетки к другой,

участвует в механизме сокращения мышц и сердца и пр.

Основным источником кальция для человека являются продукты животного происхождения. Особенно богаты кальцием молочные продукты.

Фосфор (Р) - внутриклеточный фермент. Элемент фосфор необходимый для нормального функционирования центральной нервной системы.Соединения фосфора присутствуют в каждой клеточке тела и участвует практически во всех физиологических химических реакциях. В организм человека фосфор Р поступает с пищей. Фосфор содержится в следующих продуктах питания: в рыбе, мясе, птице, неочищенных зернах, яйцах, орехах, семечках.

Для правильного функционирования фосфора важно достаточное количество кальция и витамина D в организме. Соотношение Са (кальция) и фосфора (Р) должно быть два к одному. Переизбыток железа, алюминия и магния делает влияние фосфора неэффективным.

Магний (Мg, Magnesium) — активный внутриклеточный элемент, входит в состав ряда ферментов. Также магний содержится в эритроцитах, мыщцах, печени и других органах и тканях. Элемент магний наиболее необходим для функционирования сердца, нервной и мышечной ткани. Многие процессы жизнедеятельности организма зависят от содержания магния. Рекомендуемая Дневная Норма Потребления (РДНП) магния для взрослых — 300 — 400 мг. Суточная норма употребления магния беременным и кормящим женщинам должна увеличиваться в несколько раз.

Магний в продуктах содержится в лимонах, грейпфрутах, фигах, орехах, семенах, темно-зеленых овощах, яблоках. Магний из продуктов может не усваиваться при приеме алкоголя или мочегонных средств, оральных контрацептивов и эстрогенов.

Микроэлементы встречаются в организме в гораздо меньших количествах (от нескольких граммов до десятых долей грамма и менее). К таким веществам относятся: железо, марганец, медь, цинк, кобальт, молибден, кремний, фтор, йод и др.

Железо. В организме взрослого человека содержится около 4 граммов железа, причем основная масса его сконцентрирована в крови. Железо является незаменимым компонентом гемоглобина – пигмента эритроцитов, переносящего кислород о легких к тканям. Также железо входит в состав ферментов обеспечивающих клеточное дыхание (употребление кислорода клетками). Основным источником железа для человека являются пищевые продукты растительного и животного происхождения. Железом богаты яблоки, гранаты, мясо, печень.

СЕЛЕН, это: «снайпер» - он находит раковые клетки, где бы они ни находились, и уничтожает их; «пылесос» - вычищает свободные радикалы из межклеточного пространства, и нейтрализует их. Является одним из самых сильных антиоксидантов; «реставратор» - восстанавливает структуру тканей, вплоть до клеточного ядра.

Экспериментальные исследования и работы ученых многих стран по изучению биологической роли СЕЛЕНА показали, что селеновые препараты оказывают хороший лечебный и профилактический эффект при многих

заболеваниях, а также способствуют очищению организма от шлаков и токсинов, повышают иммунитет и усиливают процессы саморегуляции организма. НОРМА ПОТРЕБЛЕНИЯ: Необходимый для поддержания здоровья уровень СЕЛЕНА в крови должен составлять 160 - 200 мкг. У россиян же он, как правило, колеблется в пределах 40-60 мкг. ПИЩЕВЫЕ ИСТОЧНИКА СЕЛЕНА: Кокос, фисташки, свиное сало, чеснок, морская рыба, пшеничные отруби, белые грибы, яйца, соя, печень, рис неочищенный. Хром Функции в организме: Хром имеет большое значение в метаболизме углеводов и жиров, а также участвует в процессе синтеза инсулина. Элемент способствует нормальному формированию и росту детского организма.

Проявление недостаточности: предполагается, что дефицит хрома может вызывать развитие атеросклероза и сахарного диабета, артериальной гипертензии. При снижении содержания хрома в организме человека могут возникать раздражительность, жажда, нередко отмечается снижение памяти. В тяжелых случаях могут появляться спутанность сознания и другие признаки нарушения функций ЦНС. Природные источники: основные пищевые источники хрома: пивные дрожжи, мясные продукты, птица, яичный желток, печенка, проросшие зерна пшеницы и крупа из необрушенного зерна, сыр, устрицы, крабы, кукурузное масло, моллюски. Некоторые спиртные напитки также содержат хром. Суточная потребность:

0,05-0,2 мг

Молибден в организме человека постоянно присутствует как микроэлемент, участвующий преимущественно в азотном обмене. Молибден необходим для активности ряда окислительно-восстановительных ферментов (флавопротеидов). Избыток Молибдена в организме человека может вызвать нарушение обмена веществ, задержку роста костей, подагру и т. п. Источники Молибдена Хлебопродукты.

Йод – является незаменимым для человека микроэлементом. Основная роль йода в организме человека заключается в том, что йод является активной частью гормонов щитовидной железы. Гормоны щитовидной железы регулируют энергетические процессы организма – образование тепла, рост и развитие.

Фтор полезен для организма только в небольших количествах. При низких концентрациях фтор стимулирует развитие и рост зубов, костной ткани, образование клеток крови, повышение иммунитета. Недостаток фтора повышает риск заболевания кариесом (особенно у детей) и негативно сказывается на иммунитете. В больших дозах фтор может вызывать заболевание флюороз, проявляющееся изменениями скелета.

Основным источником фтора являются свежи овощи и молоко, а так же питьевая вода.

Медь. Роль меди в организме заключается в активации тканевых ферментов, которые участвуют в дыхании клеток и превращении веществ. Также важно отметить положительное влияние меди на процесс кроветворения. При помощи меди происходит перенос железа в костный мозг и созревание эритроцитов. При недостатке меди происходит нарушение развития костной

и соединительной ткани, также тормозится умственное развитие детей, увеличиваются печень и селезенка, развивается анемия. Хлеб и мучные продукты, чай, кофе, фрукты и грибы являются основными источниками меди для человека.

Цинк входит в состав многих ферментов, оказывает стимулирующее действие процесс полового созревания, образования костей, распада жировой ткани. Недостаток цинка развивается довольно редко. Иногда дефицит цинка возникает при избыточном потреблении мучных продуктов, препятствующих всасыванию цинка из кишечника. Недостаток цинка (особенно в детском возрасте) может привести к тяжелым нарушениям развития: торможение полового созревания, выпадение волос, деформация скелета. Достаточные для человека количества цинка содержатся в печени животных, мясе, яичных желтках, сырах, горохе.

Марганец Функции в организме:

Марганец входит в состав нескольких ферментных систем и необходим для поддержания нормальной структуры костей. Проявление недостаточности: При марганцевой недостаточности у человека развивается похудание, могут появиться транзиторный дерматит, тошнота и рвота, иногда изменяется цвет волос, замедляется их рост. Установлено, что если в пище не хватает марганца, у кормящих женщин ухудшается лактация.Природные источники:

Наибольшее количество марганца содержится в зеленых листовых овощах, продуктах из неочищенного зерна (особенно пшеницы, риса), орехах, чае. Суточная потребность: 2-5 мг. Ситуации при которых возрастает потребность в микроэлементах: при употреблении высококалорийной, преимущественно рафинированной мясомолочной пищи (в которой марганца практически нет).

Вопросы для самоконтроля

1.Какую роль в питании клеток играют макроэлементы?

2.Какую роль в питании клеток играют микроэлементы?

3.Какую роль в питании клеток играют ультраэлементы?

4.Укажите источники получения клетками незаменимых элементов питания.

Тема 2. Биологические функции воды.

Вода как растворитель. Вода - превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоцииируют в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (-OH). Результаты многочисленных исследований строения растворов электролитов свидетельствуют, что при гидратации ионов в

водных растворах основную роль играет ближняя гидратация - взаимодействие ионов с ближайшими к ним молекулами воды. Большой интерес представляет выяснение индивидуальных характеристик ближней гидратации различных ионов, как степени связывания молекул воды в гидратных оболочках, так и степени искажения в этих оболочках тетраэдрической льдоподобной структуры чистой воды - связи в молекуле изменяются на неполный угол. Величина угла зависит от иона.

Когда вещество растворяется, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты, подобно тому, как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в еѐ присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторных системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Большая теплоёмкость. Удельной теплоѐмкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1° C. Вода обладает большой теплоѐмкостью (4,184 Дж/г). Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение еѐ температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды.

Большая теплоѐмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для еѐ перехода в пар, то есть для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии (2494 Дж/г). Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды - вещества со столь малыми молекулами - необычно высока.

Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепѐке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Большая теплота плавления. Скрытая теплота плавления есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твѐрдого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.

Плотность и поведение воды вблизи точки замерзания. Плотность воды (максимальна при +4° С) от +4 до 0° С понижается, поэтому лѐд легче воды и в воде не тонет. Вода - единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твѐрдом, так как структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды.

Поскольку лѐд плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на еѐ поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоѐмах вообще не могла бы существовать. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4° С, поднимаются вверх, обусловливает перемешивание воды в больших водоѐмах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоѐмы заселяются живыми организмами на большую глубину.

После проведения ряда экспериментов было установлено, что связанная вода при температуре ниже точки замерзания не переходит в кристаллическую решѐтку льда. Это энергетически невыгодно, так как вода достаточно прочно связана с гидрофильными участками растворѐнных молекул. Это находит применение в криомедицине.

Большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия - это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение - результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь еѐ поверхности была минимальной (в идеале - форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды (7,6 · 10-4 Н/м). Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по еѐ поверхности.