3482

Вода как реагент. Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, то есть участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие функции выполняет вода как растворитель?

2.Какое значение для биологических объектов играет теплота испарения и теплота плавления воды?

3.Какую роль играет поверхностное натяжение и когезия воды?

4.Почему живые организмы обнаруживаются на большой глубине?

5.Какую роль играет вода как реагент?

Тема 3. Процесс фотосинтеза: пигменты и биохимия. Факторы, влияющие на фотосинтез.

Фотосинтез - Образование высшими растениями сложных органических веществ из простых соединений - углекислого газа и воды - за счет световой энергии, поглощаемой хлорофиллом. Создаваемые в процессе фотосинтеза органические вещества необходимы растениям для построения их органов и поддержания жизнедеятельности.

Исходные вещества для фотосинтеза - углекислый газ, поступающий в листья из воздуха, и вода - представляют собой продукты полного окисления углерода (CO2) и водорода (H2O). В образуемых при фотосинтезе органических веществах углерод находится в восстановленном состоянии. При фотосинтезе система СO2 - Н2O, состоящая из окисленных веществ и находящаяся на низком энергетическом уровне, восстанавливается в менее устойчивую систему СН2O - O2, находящуюся на более высоком энергетическом уровне.

На получение одной грамм - молекулы глюкозы (С6НО6) расходуется световая энергия в количестве 2872,14 кДж, которая запасается в виде химической энергии. При этом в атмосферу выделяется свободный кислород.

Важную роль в изучении фотосинтеза имели работы К. А. Тимирязева, который показал, что свет является источником энергии для синтеза органических веществ из углекислого газа и воды, и установил максимум поглощения хлорофилла в красной и сине - фиолетовой областях спектра. Дальнейшие исследования многих ученых с использованием современных методов позволили вскрыть многие звенья сложной цепи превращений веществ в растительном организме.

Было установлено, что фотосинтез протекает в двух фазах. Первая из них - световая, вторая - темновая. Первая фаза идет только на свету, тогда

как вторая - с равным успехом как в темноте, так и на свету. Световая фаза протекает в зеленой фракции хлоропласта - гранах, а все превращения темновой фазы проходят в его бесцветной фракции - цитоплазматическом матриксе. Световая фаза характерна только для фотосинтезирующих клеток, тогда как большинство реакций, составляющих процесс фиксации углекислоты в темновой фазе, свойствен не только фотосинтезирующим клеткам.

Световая фаза фотосинтеза начинается с поглощения света пигментами. В химических реакциях световой фазы участвуют лишь молекулы хлорофилла а, находящиеся в активированном (за счет поглощения световой энергии) состоянии. Остальные пигменты - хлорофилл b и каротиноиды - улавливают свет с помощью особых систем, передают полученную энергию на молекулы хлорофилла а.

Важнейшая роль световой фазы состоит в построении молекулы АТФ (аденозинтрифосфата), в которой запасается энергия. Процесс образования АТФ в хлоропластах с затратой солнечной энергии называется циклическим фосфорилированием. При распаде АТФ до АДФ (аденозиндифосфата)

НАДФ(никотинамидадениндинуклеотидфосфат) требуется два атома водорода, который получается из воды с помощью света. Активированный светом хлорофилл тратит свою энергию на разложение воды, превращается в инактивированную форму, при этом выделяются четыре атома водорода, которые используются в восстановительных реакциях, и два атома кислорода, поступающие в атмосферу.

Таким образом, первыми стабильными химическими продуктами световой реакции в растениях являются НАДФ - Н2 и АТФ. В темновую фазу аминокислоты и белки образуются в цитоплазме. Темновая фаза фотосинтеза служит продолжением световой фазы. В темновой фазе с участием АТФ и НАДФ - Н2 из углекислого газа строятся различные органические вещества. При этом НАДФ - Н2 выполняет в темновой фазе роль восстановителя, а АТФ служит источником энергии. Восстановитель окисляется до НАДФ, а от АТФ отщепляется один остаток фосфорной кислоты (Н3РO4) и получается АДФ. НАДФ и АДФ снова возвращаются из матрикса в граны, где в световой фазе снова преобразуются

выяснить благодаря применению радиоактивного углерода 14С. Было установлено, что в процессе фотосинтеза за несколько минут образуется большое число соединений. Однако когда время, отведенное на фотосинтез, сократили до 0,5 с, удалось обнаружить лишь трехуглеродное фосфорилированное соединение - трифосфоглицериновую кислоту (ФГК). Следовательно, ФГК - это первый стабильный продукт, образующийся из СO2 в процессе фотосинтеза. Оказалось, что первым веществом, которое соединяется с СO2 (акцептор СO2), является пятиуглеродное

фосфорилированное соединение - рибулезодифосфат (РДФ), распадающееся после присоединения СO2 на две молекулы ФГК. Фермент, катализирующий эту реакцию, - РДФ - карбоксилаза - занимает в количественном отношении первое место среди белков, содержащихся в белковой ткани. Фосфоглицериновая кислота восстанавливается до уровня альдегида за счет восстановительного потенциала НАДФ - Н2 и энергии АТФ.

Фосфоглицериновый альдегид, представляющий собой фосфорилированное соединение сахара, содержит только три атома углерода, тогда как простейшие сахара содержат шесть атомов углерода. Для того чтобы образовалась гексоза (простейший сахар), две молекулы фосфоглицеринового альдегида должны соединиться и полученный продукт

-гексозодифосфат - должен подвергнуться дефосфорилированию. Получившаяся гексоза может направляться либо на синтез сахарозы и полисахаридов, либо на построение любых других органических соединений клетки. Таким образом, сахар, образующийся в процессе фотосинтеза из СO2,

-это основное органическое вещество, которое в клетках высших растений служит источником как энергии, так и необходимых клетке строительных белков.

Факторы, влияющие на фотосинтез

Углекислый газ. Интенсивность фотосинтеза зависит от количества углекислого газа в воздухе. Обычно в атмосферном воздухе содержится 0,03

% СO2. Увеличение его содержания способствует повышению урожайности, что используют при выращивании растений в парниках, оранжереях, теплицах. Установлено, что наилучшие условия для фотосинтеза создаются

при содержании СO2 около 1,0%. Повышение содержания СO2 до 5,0% способствует повышению интенсивности фотосинтеза, но в этом случае необходимо повысить освещенность.

Количество СO2, усвоенное в единицу времени на единицу массы хлорофилла, называется ассимиляционным числом. Количество миллиграммов СO2, усвоенное за 1 ч на 1 дм2 листовой поверхности, называется интенсивностью фотосинтеза. Интенсивность фотосинтеза у различных видов растений неодинакова, изменяется она и с возрастом растений.

Свет. Растения поглощают 85 - 90 % попадающей на них световой энергии, но на фотосинтез идет только 1 - 5% от поглощенной световой энергии. Остальная энергия используется на нагрев растения и транспирацию.Все растения по их отношению к интенсивности освещения можно разделить на две группы - светолюбивые и тенелюбивые. Светолюбивые требуют большей освещенности, теневыносливые - меньшей.

Вода. Обеспеченность растений водой имеет важное значение. Недостаточное насыщение клеток водой вызывает закрытие устьиц, а следовательно, снижает снабжение растений углекислым газом. Обезвоживание клеток нарушает деятельность ферментов.

Температурный режим. Наилучший температурный режим для большинства растений, при котором фотосинтез идет наиболее интенсивно, 20 - 30 °С. При понижении или повышении температуры фотосинтез замедляется. Хлорофилл в клетках растений образуется при температуре от 2

до 40 °С.

При благоприятном сочетании всех необходимых для фотосинтеза факторов растения наиболее активно накапливают органические вещества и выделяют кислород. Образующиеся в избытке продукты фотосинтеза - сахара - немедленно превращаются в высокополимерное запасное соединение - крахмал, откладывающийся в виде крахмальных зерен в хлоропластах и лейкопластах. Одновременно какая - то часть Сахаров выводится из пластид и перемещается в другие части растения. Крахмал может вновь расщепляться до Сахаров, которые, окисляясь в процессе дыхания, обеспечивают клетку энергией.

Таким образом, искусственно регулируя газовый состав атмосферы, обеспечивая растения светом, водой, теплом, можно повышать интенсивность фотосинтеза и, следовательно, увеличивать продуктивность растений. Именно на это направлены агротехнические приемы при возделывании сельскохозяйственных культур: обогащение почвы органическими веществами, обработка почвы, орошение, мульчирование, регулирование густоты посевов и др.

Вопросы для самоконтроля

1.Объясните влияние внутренних и внешних факторов на фотосинтез.

2.Какую роль играют фотосинтезирующие организмы?

3.Назовите лимитирующие факторы фотосинтеза.

4.Укажите фактор, не влияющий на скорость прохождения фотосинтеза.

Тема 4. Хемосинтез, механизм. Факторы, влияющие на хемосинтез

Хемосинтез (Хемолитоавтотрофия) — тип питания некоторых

(хемосинтезирующих) бактерий, основанный на усвоении углекислого газа CO2 за счѐт окисления неорганических соединений. Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1887 году.

При хемосинтезе источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений. Другими словами, источником энергии для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) при хемосинтезе служит не солнечный свет, как при фотосинтезе, а энергия, получаемая при окислительно-восстановительных реакциях.

Сначала энергия, полученная при хемосинтезе, переводится в энергию макроэнергетических связей АТФ и только затем тратится на синтез органических соединений. Есть несколько типов хемосинтеза.

Серобактерии окисляют сероводород H2S до молекулярной серы S или до солей серной кислоты H2SO4:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S + 272 кДж

Выделяющаяся в результате свободная сера накапливается в бактериальных клетках в виде множества крупинок. При недостатке сероводорода бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты:

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + 636 кДж

Железобактерии окисляют двухвалентное железо Fe до трѐхвалентного и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов:

4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3 + 4CO2↑ + 324 кДж Аналогично окисляется марганец.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак NH3, образующийся в процессе гниения органических веществ, до азотистой HNO2 и азотной кислоты HNO3, которые, взаимодействуя с почвенными минералами, образуют нитриты и нитраты.

Первый этап осуществляют бактерии Nitrosomonas: 2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + 662 кДж

Второй этап окисления образовавшейся азотистой кислоты осуществляется бактериями Nitrobacter:

2HNO2 + O2 2HNO3 + 101 кДж

Тионовые бактерии способны окислять тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярную серу до серной кислот. Некоторые из них, как например Thiobacillus ferrooxidans, окисляют сульфидные минералы, а также закисное железо. Конечным продуктом окисления тионовыми бактериями молекулярной серы и различных ее соединений является сульфат.

При окислении серы и тиосульфата Т. denitrificans в анаэробных условиях за счет использования нитратов реакция выглядит так:

5S + 6KNO3 + 4NaHCO3 → 2Na2SO4 + 3K2SO4 + 2CO2↑ + 3N2

5Na2SO4 + 8KNO3 + 2NaHCO2 → 2Na2SO4 + 4K2SO4 + 4N2 + CO2↑ + H2O

ΔF = -75,2×104 дж.

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

2H2 + O2 → 2H2O + 235 кДж

При этом происходит создание органического вещества (условно: CH2O):

6H2 + 2O2 + CO2 → (CH2O) + 5H2O

Карбоксидобактерии близки к водородным бактериям. Карбоксидобактерии окисляют монооксид углерода CO по реакции:

25CO + 12O2 + H2O + 24CO2↑ + (CH2O).

Метанообразующие бактерии, анаэробны, и условиях осуществят следующую реакцию, в которой углекислый газ служит не только

единственным источником углерода, но и конечным акцептором электронов при окислении водорода с образованием метана CH4:

4Н2 + CO2 → CH4↑ + 2H2O

В биосфере хемосинтезирующие организмы контролируют окислительные участки круговорота важнейших элементов и представляют исключительное значение для биогеохимии.

Сообщества хемосинтезирующих организмов обитают в огромных количествах на дне морей и океанов, например серобактерии в Чѐрном море. Пещерная биосистема пещеры Мовиле (Румыния) была полностью изолирована от внешнего мира последние 5,5 миллионов лет и вместо фотосинтеза основана на хемосинтезе.

На основе хемосинтеза функционируют живые организмы пещеры Аялон. Нитрифицирующие бактерии широко распространены в почве и в различных водоѐмах. Процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов. Жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв.

По некоторым оценкам, биомасса «подземной биосферы», которая находится, в частности, под морским дном и включает хемосинтезирующих анаэробных метаноокисляющих архебактерий, может превышать биомассу остальной биосферы. Хемосинтезирующие организмы играют практическую роль, например образуя метан. Гипотетически, хемосинтезирующие организмы могли бы существовать на некоторых телах Солнечной системы за пределами Земли, например на Европе, спутнике Юпитера, или на Титане, спутнике Сатурна. Подтверждений этому, однако, на сегодняшний день не существует.

Вопросы для самоконтроля

1.Какой процесс является результатом темновой фазы фотосинтеза?

2.Что является источником энергии для реакций темновой фазы?

3.Как называется процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии окисления неорганических веществ?

4.Что относится к хемосинтетикам?

Тема 5. Этические и социальные проблемы генной инженерии

Биоэтика как наука сформировалась сравнительно недавно - в конце 60-х-начале 70-х годов. Ее возникновение обусловлено прежде всего достижениями медицины, которые определили успех таких ее направлений, как генная инженерия, трансплантация органов, биотехнология и т.д. А эти успехи, в свою очередь, обострили старые и вызвали новые моральные проблемы, с которыми сталкивается врач в общении с пациентом, его родственниками и, следовательно, со всем обществом. Проблемы, возникли как неизбежность, они часто не имеют однозначного решения и становятся

очевидными, когда мы задаем вопросы: с какого момента следует считать наступление смерти (каков ее основной критерий)? Допустима ли эвтаназия (легкая смерть)? Имеются ли пределы поддержания жизни смертельно больного человека и если да, то каковы они? С какого момента зародыш следует считать живым существом? Допустимо ли преждевременное прекращение беременности, убийство ли это живого существа? В одном ряду с этими вопросами находится и проблема генной инженерии человека. Ее можно трактовать так: допустимо ли, с точки зрения моральных норм, хирургическое вмешательство в генотип человека?

Актуальность генной инженерии человека понимается сразу, как только мы обратимся к необходимости лечения больных с наследственными болезнями, обусловленными геномом. При этом особенно актуальна забота о будущих поколениях, которые не должны расплачиваться собственным здоровьем за недостатки и ущербность своего генома и генофонда сегодняшнего поколения.

Проблемы, связанные с генной инженерией сегодня, приобретают глобальный масштаб. Заболевания на генном уровне все чаще и чаще обусловлены развитием цивилизации. В настоящее время человечество пока не желает отказываться от определенных технологий, несущих не только комфорт и материальные блага, но и деградацию естественной среды обитания людей. Поэтому в ближайшей перспективе побочные явления научно-технического прогресса отрицательно скажутся на организме человека. Развитие атомной энергетики, получение синтезированных химических соединений, использование гербицидов в сельском хозяйстве и т.д. создают новую природную среду, которая очень часто является не то, что идеальной, а просто вредной для здоровья человека. Повышенная радиация и увеличение доли химических веществ в пище и атмосфере становятся факторами, вызывающими мутации у человека, многие из которых как раз и проявляются в виде наследственных болезней и аномалий.

Имеющиеся исследования свидетельствуют о том, что у современных поколений около 50% патологий обусловлены нарушениями в структуре и функциях наследственного аппарата. Каждые пять новорожденных из ста имеют выраженные генетические дефекты, связанные с мутациями или хромосом, или генов.

Генотипические факторы играют важную роль не только в появлении физических болезней, но и в развитии отклонений в психической деятельности человека. Так в результате проведенных исследований выяснилось, что около 50% усыновленных детей, родители которых были психически больны, воспитываясь с годовалого возраста в нормальной семье, в дальнейшем своем развитии страдали психическими заболеваниями. И наоборот, дети, родившиеся от нормальных родителей, попадая в условия психически больных семей, не отличались по частоте заболеваний от нормальных. Имеются также данные о влиянии биологических факторов на предрасположенность к различного рода отклонениям от нормального поведения, к правонарушениям.

Необходимость исправления "ошибок природы", т.е. генной терапии наследственных болезней, выдвигает на первый план такую область молекулярной генетики, которую называют генной (или генетической) инженерией. Генная инженерия - это раздел молекулярной биологии, прикладная молекулярная генетика, задачей которой является целенаправленное конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов при помощи генетических и биохимических методов. Она основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена или группы генов, соединении их с определенными молекулами нуклеиновых кислот и внедрении полученных гибридных молекул в клетки другого организма.

Генная инженерия открывает широкие просторы и множество путей решения проблем медицины, генетики, сельского хозяйства, микробиологической промышленности и т.д. С ее помощью можно целенаправленно манипулировать генетическим материалом для создания новых или реконструкции старых генотипов. Имеющиеся достижения в этой области показывают перспективность генной терапии в лечении наследственных болезней.

Однако возникает вопрос о социально-этической оценке и значимости генной инженерии вообще и генной терапии человека в особенности. Кто даст гарантии того, что генная терапия не будет использована во вред человеку, как это произошло со многими открытиями в области физики, химии и других наук. Иными словами, человечество столкнулось с дилеммой: или затормозить прогресс развития науки, или дать миру новые источники тревог.

Вопросы к самоконтролю

1.Что изучает генетика?

2.Каким образом генетика решает проблемы медицины?

3.Какие проблемы помогает решить генетика в других областях?

Тема 6. Хранение микроорганизмов.

Основные задачи хранения культур : поддержание их жизнеспособности,

сохранение стабильности таксономически важных признаков, а также любых других определенных свойств, представляющих интерес для науки и практики.

В коллекциях жизнеспособность микроорганизмов поддерживается преимущественно следующими методами : 1) периодическими пересевами (субкультивирование); 2) под минеральным маслом; 3) высушиванием; 4) лиофилизацией; 5) в условиях низких и ультранизких температур.

Субкультивирование - традиционный метод хранения культур (чаще всего аспорогенных) и заключается он в пересевах культур на свежие питательные среды один-два раза в месяц. Между пересевами микроорганизмы хранят в

темноте при температурах 5 - 20°С. При использовании этого метода хранения культур должны быть соблюдены три условия : 1) подходящая поддерживающая среда; 2) идеальная температура хранения; 3) необходимая частота пересевов.

Преимуществом метода является простота и удобный визуальный контроль за чистотой культуры или ее морфологической изменчивостью, а к недостаткам следует отнести возможность заражения, краткосрочность хранения, трудоемкость работы и большой расход реактивов.

Хранение под минеральным маслом заключается в следующем: культуру микроорганизмов выращивают на благоприятной агаризованной питательной среде и заливают стерильным вазелиновым маслом. Слой масла (0,5 - 1,0 см) замедляет скорость обменных процессов микроорганизмов и предохраняет поверхность среды от высыхания. Покрытые маслом культуры хранят в холодильнике. Большинство сапрофитных бактерий сохраняют жизнеспособность в течение 8 - 14 лет, дрожжи и мицелиальные грибы пересевают через 2 - 3 года.

Хранение под маслом имеет следующие преимущества: относительно длительное сохранение стабильности свойств микроорганизмов, сокращение затрат на пересевы, возможность использования в любой микробиологической лаборатории. Недостаток метода - слабая разработанность протоколов для многих групп бактерий.

Высушивание - простейший метод хранения микроорганизмов, в процессе которого происходит обезвоживание микробных клеток. В высушенных (до остаточной влажности 10 - 12%) клетках биохимические реакции приостанавливаются или протекают очень медленно. Процесс высушивания лучше всего переносят спорообразующие виды. Широко применяют воздушное высушивание микроорганизмов на различных адсорбентах: в стерильной почве, песке, глине, фильтровальной бумаге, стеклянных бусах, крахмале и т.д. Адсорбенты защищают микроорганизмы от сильного высыхания, связывают свободную воду и поддерживают определенный уровень влажности. Разновидностью метода является L-высушивание: микроорганизмы в суспензионной среде высушивают под вакуумом в стеклянных ампулах, погруженных в водяную баню с контролируемой температурой.

Преимущества метода. Высушенные культуры микроорганизмов легко хранить и транспортировать, они широко используются для хранения хлебопекарных и кормовых дрожжей, бактериальных удобрений (нитрагин, азотобактерин), энтомопатогенных препаратов.

Лиофилизация заключается в удалении воды из замороженных суспензий под вакуумом, т.е. при этом вода испаряется, минуя жидкую фазу. Выживаемость лиофилизированных клеток зависит от специфических особенностей вида и штамма, стадии роста и концентрации клеток, состава защитных сред, режима лиофилизации, условий реактивации. После лиофилизации для выведения клеток из состояния анабиоза создают условия, снижающие осмотический шок и стресс, возникающий при вскрытии ампул.

Лучше всего восстановление свойств происходит на богатых натуральных средах.

Преимущества метода . Этот метод считается одним из самых экономичных и эффективных методов длительного хранения микроорганизмов. При его использовании многие разнородные группы бактерий и бактериофагов сохраняются в жизнеспособном состоянии 30 и более лет. Недостаток метода - сложная и недостаточно разработанная технология способа хранения, требуется специальное оборудование.

Хранение микроорганизмов при низких и ультранизких температурах

используется в тех случаях, когда культуры не выдерживают лиофилизации (некоторые автотрофные бактерии, спирохеты, микоплазмы, водные фикомицеты, различные вирусы). Микроорганизмы замораживают либо в рефрижераторах (от - 12°С до - 80°С) либо используют рефрижераторы с азотом: газово-фазовый (- 150°С) или жидко-фазовый (- 196°С). Считается, что грамположительные бактерии более устойчивы к замораживанию, чем грамотрицательные. Чтобы оживить замороженные культуры, их быстро оттаивают при 37°С.

Преимущества криогенного сохранения микроорганизмов:

малая вероятность заражения культуры, сохранение в стабильном состоянии свойств микроорганизмов, небольшие временные и материальные затраты, возможность использования замороженных культур в качестве прямого инокулята. Недостаток метода - сложная и недостаточно разработанная технология способа хранения, требуется специальное оборудование.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите преимущества и недостатки хранения микроорганизмов периодическими пересевами.

2.Назовите преимущества и недостатки хранения микроорганизмов под минеральным маслом.

3.Назовите преимущества и недостатки хранения микроорганизмов высушиванием.

4.Назовите преимущества и недостатки хранения микроорганизмов лиофилизацией.

5.Назовите преимущества и недостатки хранения микроорганизмов в условиях низких и ультранизких температур.

Тема 7. Цикл азота и участвующие в нем микроорганизмы.

Азотный цикл – геобиохимични цикл, описывающий процесс замкнутых взаимосвязанных путей, которыми азот циркулирует через экосистемы и в земной биосфере. Биосфера состоит из двух соединенных