№1
Микробиология – наука, которая изучает микроорганизмы, их биологические признаки, систематику, экологию, взаимоотношения с другими организмами, т.е. бактерии, вирусы, грибы, простейшие, микроводоросли. Бактерии – одноклеточные микроорганизмы растительного происхождения, лишенные хлорофилла и не имеющие ядра. Грибы – одноклеточные и многоклеточные микроорганизмы растительного происхождения, лишенные хлорофилла, но имеющие черты животной клетки, эукариоты. Вирусы – это уникальные микроорганизмы, не имеющие клеточной структурной организации.
№2
Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная оболочка, плазмолемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид. Прокариоты (безъядерные) — одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром. Для клеток прокариот характерно отсутствие ядерной оболочки, ДНК упакована без участия гистонов.
№3
Для бактерий характерно многообразие источников получения питательных веществ. В зависимости от источника получения углерода бактерии делят на:
1) автотрофы (используют неорганические вещества – СО2);
2) гетеротрофы;
3) метатрофы (используют органические вещества неживой природы);
4) паратрофы (используют органические вещества живой природы).
По источникам энергии микроорганизмы делят на:
1) фототрофы (способны использовать солнечную энергию);
2) хемотрофы (получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций);
3) хемолитотрофы (используют неорганические соединения);
4) хемоорганотрофы (используют органические вещества).
Факторами роста бактерий являются витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, присутствие которых ускоряет рост.
№4
Метаболиты и ионы поступают в микробную клетку различными путями. Пути поступления метаболитов и ионов в микробную клетку.
1. Пассивный транспорт (без энергетических затрат):
1) простая диффузия;
2) облегченная диффузия (по градиенту концентрации, с помощью белков-переносчиков).
2. Активный транспорт (с затратой энергии, против градиента концентрации; при этом происходит взаимодействие субстрата с белком-переносчиком на поверхности цитоплазматической мембраны).
Встречаются модифицированные варианты активного транспорта – перенос химических групп. В роли белков-переносчиков выступают фосфорилированные ферменты, поэтому субстрат переносится в фосфорилированной форме. Такой перенос химической группы называется транслокацией.
№5
Спиртовое брожение. Выход спиртового брожения – 2 моль АТФ. Возбудители – дрожжевые грибы. Молочнокислое брожение. Возбудители – микроорганизмы вида стрептококки, эти бактерии подавляют рост других бактерий. Масленнокислое брожение. Возбудители – микроорганизмы рода клостридиум – это облигатные анаэробы, они играют важную роль на земле.
№6
Основные этапы круговорота азота:
1) растения и животные содержат азот в составе аминокислот и нуклеиновых кислот;
2) продукты жизнедеятельности организмов (аммиак, мочевина и пр.) и мертвые тела разлагаются с помощью бактерий, при этом азотаминокислот (NH2-) окисляется до нитритов (NO2), а затем до нитратов (NO3-);
3) нитраты захватываются растениями и встраиваются в аминокислоты.
Первая стадия реакций идет легко и активно. При внесении удобрений растения тратят на эту стадию все энергетические ресурсы. Вторая стадия реакции – перевод нитритов в аммиак, задерживается в силу её энергоемкости (надо разорвать тройную связь). Нитриты накапливаются в растениях, а в желудке человека образуют нитрозамины – активные канцерогены и мутагены;
4) мертвая органика разлагается с выделением аммиака (аммонификация). Часть его прочно связывается с гумусом, а избыток (например, при внесении в почву органических удобрений) усваивается растениями;
5) в океане бактерии группы Псевдомонас восстанавливают нитраты, смываемые с полей до газообразного азота, часть которого возвращается в атмосферу, где его очень много;
6) происходит биологическая фиксация газообразного азота из атмосферы прокариотами. Для этого безъядерные организмы имеют белок-нитрогеназу, переводящий N2 в NH3. Это очень энергоемкий процесс, все способные на азотфиксацию организмы связывают примерно 15 кг/га в год. Клубеньковые бактерии – симбионты бобовых растений связывают до 300 кг/га вгод. В лесу такие клубеньки имеет ольха. Внесение азотных удобрений выключает биологическую фиксацию азота;
7) связанный азот восстанавливается до газообразного в анаэробных условиях с помощью бактерий (денитрификация, «нитратное дыхание»):
C6H12O6 + 24XNO3 = 30CO2 + 18H2O + 24XOH + 12N2 + Q (570ккал/г-моль).
Иногда реакция идет не до конца, с выделением опасных парниковых газов NO и NO2. Так разлагается часть избытка удобрений.
№7
Аммонификация— процесс разложения азотсодержащих органических соединений (белков, аминокислот), вызываемый гнилостными бактериями и сапротрофными грибами с образованием дурнопахнущих конечных продуктов — аммиака и первичных аминов. Гниение белков сопровождается образованием и других остро неприятно пахнущих и токсичных для организма человека веществ — так называемых трупных ядов и ароматических соединений, гниение серосодержащих аминокислот приводит к выделению сероводорода и меркаптанов. Происходит в природе с мёртвыми телами и останками людей, животных и растений. Является необходимым условием круговорота органических веществ в природе, поскольку в процессе гниения органические вещества превращаются в неорганические, пригодные к повторному усвоению растениями.
Типичными аммонификаторами являются представители рода Bacillus, Pseudomonas и Clostridium.
Умеренное, контролируемое иммунитетом организма бактериальное гниение белков также является необходимой частью пищеварения и происходит в толстом кишечнике человека и животных под влиянием «полезных» бактерий — симбиотиков. Чрезмерно интенсивное гниение в толстом кишечнике является причиной гнилостной диспепсии, диареи и дисбактериоза толстого кишечника.
Первой стадией разложения белков является их гидролиз какмикробными протеазами, так и протеазами клеток погибшего организма,высвобождаемыми из лизосом в результате смерти клеток (аутолиз). Протеолизпроисходит в несколько стадий- в начале белки расщепляются до всё ещё крупныхполипептидов, затем образовавшиеся полипептиды расщепляются до олигопептидов,которые в свою очередь расщепляются до дипептидов и свободных аминокислот.[1]Образовавшиеся свободные аминокислоты затем подвергаются ряду превращений,приводящих к выделению характерных для гниения продуктов. Первыми стадиямиявляется дезаминирование аминокислот, в результате которого аминогруппааминокислоты отщепляется и высвобождается свободный ион аммония идекарбоксилирование, в результате которого карбоксильная группа отщепляется свысвобождением двуокиси углерода (реакция декарбоксилирования чаще всегопроисходит в условиях пониженного pH). В результате декарбоксилированиявысвобождаются также первичные амины:
H2N-(CH2)4-CHNH2-COOH (лизин) → H2N-(CH2)4-CH2NH2(кадаверин) + CO2
Выделяют так называемое окислительное дезаминирование(наиболее распространённый вид дезаминирования, в результате которого NAD(P)восстанавливается до NAD(P)H2) и гидролитическое дезаминирование, при которомаминогруппа аминокислоты заменяется на гидроксильную.
Также некоторые аминокислоты трансаминируются путёмперемещения аминогруппы аминокислоты на 2-оксикислоту (в результате этогопроцесса также происходит дезаминирование аминокислот, кроме этогосинтезируются те аминокислоты, которые бактерии не могут синтезировать путёмаминирования ионами аммония).
Образовавшиеся в результате дезаминирования идекарбоксилирования продукты могут как окисляться микроорганизмами с цельюполучения энергии в виде АТФ, так и участвовать в реакциях промежуточногообмена.
Вопрос 8
Нитрификация — микробиологический процесс окисленияаммиака до азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты, что связанолибо с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо сзащитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксидаводорода (гетеротрофная нитрификация).
Протекает в аэробных условиях в почве а также природныхводах. Часто может вызывать появление в них нитратов в токсичном количестве, апоскольку нитраты — наиболее активно мигрирующее в растворе соединение азота —происходит их вынос из почвы в расположенные ниже по склону водоемы, что влечетза собой уменьшение коэффициента использования азотных удобрений и эвтрофикациюданных водоемов.Содержание [убрать]
Автотрофная нитрификация
Нитрификация проходит в две стадии, которыеосуществляются разными микроорганизмами.
Первая стадия — окисление аммиака до нитрит-аниона,которое осуществляют нитрозные бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus иNitrosospira (ранее выделялись также рода Nitrosolobus, Nitrosovibrio, носейчас их представители включены в Nitrosospira ) по следующему механизму:
NH3 + O2 + НАДH2 → NH2OH + H2O + НАД+
NH2OH +H2O → HNO2 + 4H+ + 4e-
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Предполагается, что на первом этапе субстратом являетсяименно аммиак, а не аммоний, поэтому процесс не идёт в кислой среде. Ферментомдля первой реакции служит аммиакмонооксигеназа, фермент с очень низкойсубстратной специфичностью, окисляющая также метан, оксид углерода,циклогексан, фенол, бензиловый спирт, однако со скоростью на порядки ниже.Гидроксиламин ингибирует работу фермента. В бесклеточных экстрактахвосстановителем может служить НАД(Ф)·H, однако в клетке его роль, скорее всего,выполняет один из компонентов дыхательной цепи.
Следующую реакцию осуществляетгидроксиламиноксидоредуктаза, расположенная в периплазме. Окислителем в нихслужит цитохром c, с него электрон передаётся на убихинон и далее в дыхательнуюцепь, на цитохромоксидоредуктазу и, в конечном итоге, на кислород. При этомзапасается энергия в виде трансмембранного протонного потенциала.
Образование НАД(Ф)·H для фиксации углекислого газа вцикле Кальвина происходит путём обратного переноса части электронов.
Вторая стадия — окисление аниона азотистой кислоты доаниона азотной, производимое нитратными бактериями (почвенный род Nitrobacter иводные Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina). Процесс протекает в одну реакцию:
NO2- + H2O → NO3- + 2H+ + 2e-
катализируемую нитрит:нитрат-оксидоредуктазой,локализованной в ЦПМ. Далее электроны передаются на цитохромы дыхательной цепи,в которой единственным пунктом транслокации протонов является цитохромоксидаза.
Образование НАД(Ф)·H для фиксации углекислого газа такжепроисходит путём обратного переноса электронов.
Нитрозных и нитритных бактерий ранее выделяли в семействоNitrobacteraceae, сейчас с развитием геносистематики их рода разнесены поразным подклассам протеобактерий. Оптимальная для их развития температура 25—30°C и pH 7,5—8,0. В кислой среде процесс не идет. Все эти бактерии —грамотрицательные хемолитоавтотрофы, использующие энергию окисления соединенийазота для синтеза органических веществ из углекислого газа. Некоторые из нихспособные переключаться на хемоорганогетеротрофный метаболизм, однако ни одногохемолитогетеротрофа среди данных организмов найдено не было. Морфологически этигруппы разнообразны, в большинстве своем мелкие, подвижные, с полярным илиперитрихиальным жгутикованием. Окисление они проводят на цитоплазматическоймембране.