Микробиология 4

Федеральное агентство по образованию

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ТГТУ)

Кафедра «Биотехнологии и химии»

Дисциплина «Основы микробиологии и биотехнологии»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Вариант № 4

Выполнил Иванова Е.А.

студ. гр. ООС-4 ФЗО

Проверил Рабинович Г.Ю.

Тверь 2009

Вопрос 93. Назовите основные этапы биосинтеза белка в клетке. В чем их суть?

Первый этап – транскрипция

Процесс создания иРНК путем «переписывания» генетической информации с ДНК на иРНК называется транскрипцией. Он начинается с того, что с двухнитевой молекулы ДНК как с матрицы списывается однонитевая молекула иРНК. Процесс списывания (т.е. синтез РНК) осуществляется с помощью фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Когда РНК-полимераза доходит до конца копируемого участка (его называют терминатором), молекула РНК отделяется от матрицы и отправляется в виде иРНК к месту сборки белка – в цитоплазму.

Информационная РНК в сотни раз короче ДНК, так как является копией не всей нити ДНК, а лишь ее отдельного участка – одного гена или группы генов, лежащих рядом и несущих информацию о структуре белка, необходимых для выполнения одной функции в клетке. С одного гена может «списываться» (транскрибироваться) множество копий молекулы иРНК.

Образовавшиеся иРНК выходят из ядра в цитоплазму через поры в ядерной оболочке и вступают в контакт с многочисленными рибосомами. Транскрипция, или процесс переноса иРНК, - это первый этап биосинтеза белка.

Второй этап – трансляция.

Процесс передачи информации для сборки аминокислот в полимерную цепь в соответствии с иРНК называется трансляцией (лат. translatio- «передача», «перенесение»).

а) Образование комплекса рибосома-тРНК – происходит соединение иРНК с двумя субъединицами рибосомы и образование комплекса, в котором выделяют ФЦР (функциональный центр рибосомы). В ФЦР одновременно может находится два триплета (шесть нуклеотидов) иРНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный – центр узнавания аминокислоты) и П (пептидный) – центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочки.

б) Активирование аминокислот – каждая аминокислота соединяется со своей тРНК, антикодон которой соответствует кодону иРНК. Присоединение происходит за счет энергии АТФ. Далее тРНК переносят аминокислоты к месту синтеза на рибосомы.

в) Собственно синтез белка – транспорт аминокислот, присоединенных к тРНК, из цитоплазмы в ФЦР. В активном центре А осуществляется считывание антикодона тРНК с кодоном иРНК, в случае комплементарности возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачок) вдоль иРНК рибосомы на один триплет. В результате этого комплекс «кодон рРНК и тРНК с аминокислотой» перемещается в активный центр П, где и происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле), после чего тРНК покидает рибосому.

г) Окончание синтеза – синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные кодоны (набор 3-х стоп-кодов). Рибосомы соскакивают с иРНК и распадаются на две субъединицы. Полипептидная цепочка снимается с рибосомы, погружается в канал ЭПС и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Скорость сборки: 200 – 300 аминокислот за 1 – 2 минуты.

Вопрос 4. Особенности генетического аппарата бактерий. Понятие о бактериальной хромосоме и плазмидах. Значение плазмид в жизнедеятельности бактерий.

В цитоплазме бактериальных клеток расположена структура, сравнимая с ядром клетки эукариотов. Такую структуру называют нуклеоидом. Нуклеоиды бактерий содержат ДНК, которая несет в себе генетическую информацию. Бактериальная ДНК по форме представляет собой свернутую в кольцо нить длиной 1,1 – 1,6 мм, называемую также бактериальной хромосомой.

В покоящейся бактериальной клетке обычно содержится один нуклеоид; клетки, находящиеся в фазе, предшествующей делению, имеют два нуклеоида; в фазе логарифмического роста – размножения – до четырех и более. Содержание ДНК у бактерий определяется в значительной мере размерами клетки – чем больше клетка, тем больше ДНК.

ДНК бактерий не отделена от остальной части клетки мембраной, так как у прокариотов отсутствует ядерная оболочка. Однако у большинства бактерий выявляется четко отделенная от цитоплазмы центральная ядерная зона, где расположены нуклеоид или нуклеоплазма.

Генетический материал бактерий может содержаться не только в хромосоме, но и во внехромосомных структурах – плазмидах, расположенных отдельно или в интегрированном с хромосомой состоянии. При делении бактериальной клетки плазмиды равномерно распределяются между дочерними клетками. Особенностью генетической информации, содержащейся в нехромосоммных элементах, является её необязательностью для жизнедеятельности, т. е. в ее отсутствие бактериальная клетка жизнеспособна, но важная роль нехромосомных генетических элементов заключается в том, что они расширяют возможности существования бактериального вида, обеспечивают обмен генетическим материалом на большие расстояния по горизонтали и играют определенную роль в эволюции прокариот.

Плазмиды — это линейные или кольцевые ковалентно замкнутые молекулы ДНК, содержащие от 1500 до 40 000 пар нуклеотидов. Отличительная особенность плазмид — способность к автономной репликации, поэтому минимальное количество ДНК, которое может быть названо плазмидой, — это фрагмент, обеспечивающий автономную репликацию плазмидной ДНК в клетке как единого целого.

Плазмиды могут определять сложные свойства бактерий: устойчивость к антибиотикам, сульфаниламидным препаратам, способность к синтезу токсинов, способность использовать нафталин, камфару и другие сложные соединения, и т.д. Из перечисленного выше видно, что плазмиды делают возможным существование организмов в более широком диапазоне условий внешней среды, т. е. действуют как факторы адаптации.

Вопрос 83. Микроорганизмы, способные разлагать целлюлозу (клетчатку), примеры. Как может быть использована способность микроорганизмов расщеплять целлюлозу?

Для большинства микроорганизмов, разлагающих целлюлозу, характерна высокая специфичность по отношению к этому веществу. Разложение целлюлозы осуществляют аэробные микроорганизмы (бактерии и грибы) и анаэробные мезофильные и термофильные бактерии.

Группа аэробных целлюлозоразлагающих микроорганизмов наиболее богато представлена в почве. Представителями банной группы являются микроорганизмы рода Cytophaga. Они очень требовательны к условиям среды, обычно они в большом количестве встречаются в навозе и почвах, удобренных навозом. То же свойственно представителям рода Sporocytophaga, разлагающим целлюлозу. Последние отличаются от видов рода Cytophaga способностью образовывать микроцисты.

В расщеплении целлюлозы принимают участие миксобактерии порядка Myxobacteriales, семейства Myxococcaceae (род Myxococcus), Archangiaceae (род Archangium), Sorangiaceae (роды Sorangium и Polyangium), широко распространенные в почвах разных климатических зон. Могут усваивать целлюлозу единичные виды Pseudomonas (P. Fluorescens var. cellulosae), и некоторых других бактерий. Актиномицеты и грибы, обитающие в относительно бедных, кислых почвах, в аэробных условиях медленно разрушают целлюлозу. К актиномицетам, разлагающим целлюлозу, относятся представители родов Streptomyces (Streptomyces cellulosae), Streptosporangium, Micromonospora (Micromonospora chalcea); к грибам – представители родов Fusarium, Chaetomium, а так же отдельные виды - Trichoderma viride, Aspergillus fumigates, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani. В разрушении целлюлозы участвуют и хитридиомицеты, среди которых много паразитов.

Большинство представителей анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, найденных в природе, относят к семейству Bacillaceae, роду Clostridium. Эти виды обитают в почвах, компосте, навозе, речном иле и сточных водах. Клостридии устойчивы к кислотности и распространены не только в нейтральных, но и кислых почвах. Типичный представитель рода, участвующий в разложении целлюлозы при температуре 30 – 40 °С, - Clostridium omelianskii. Разлагать целлюлозу может и другой мезофильный вид – Clostridium cellobioparum.

Среди анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, встречающихся в почве, навозе и компостах, есть и термофилы. Они активно сбраживают целлюлозу. Так, оптимальная температура для развития Clostridium thermocellum около 60 °С, биологический максимум приближается к 70 °С; при 40, 45 °С эта бактерия развивается слабо. К термофильным целлюлозоразлагающим анаэробам относится и вид Thermoanaerobacter ethanolicus, выделенный из горячих источников. Мезофильные и термофильные анаэробные бактерии хорошо используют целлюлозу, но на обычных средах, содержащих простые сахара, они развиваются слабо, плохо переносят даже незначительно повышенные концентрации сахаров.

В рубце жвачных животных обитают специфичные анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии. Они вызывают разложение целлюлозы кормов до глюкозы, которая затем сбраживается с образованием органических кислот, спиртов и газов. Разложение целлюлозы в рубце животных осуществляется при участии кокковидных и палочковидных бактерий: Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus, Bacteroides succinogenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Ruminobacter parvum. Бактерии рубца очень важны для нормального питания жвачных животных.

Вопрос 59. Значение микроэлементов для роста и развития микрофлоры

Микроорганизмам необходимы микроэлементы, которые потребляются в малых количествах, но без них невозможно осуществление важнейших жизненных функций. Они входят в состав ферментов. Например, медь входит в состав порфиринов, участвующих в переносе кислорода в процессах дыхания, молибден – в состав фермента нитрогеназы, осуществляющей фиксацию азота из атмосферы. Кальций активизирует деятельность ряда важнейших ферментов, участвует в поддержании ионного равновесия. Магний участвует в обмене углеводов и энергетическом обмене. Молибден активирует ряд ферментов. Некоторые микроэлементы влияют на рост (Mn, Zn).

Вопрос 27. Какие структуры в прокариотической клетке выполняют функцию хлоропластов?

В прокариотической клетке функцию хлоропластов выполняют внутриклеточные мембранные фотосинтезирующие структуры. В клетках цианобактерий присутствуют тилакоиды - внутриклеточные мембранные фотосинтезирующие структуры, содержащие хлорофилл и каротиноиды, при помощи которых осуществляется фотосинтез. Особые светособирающие пигменты – фикобилины, находятся в специальных структурах, фикобилисомах, располагающихся на поверхности тилакоидов. У пурпурных серобактерий фотосинтезирующие пигменты локализованы в хроматофорах.

Мембранные структуры хроматофора имеют вид трубочек и пузырьков диаметром 20 – 100 нм. Трубочки и пузырьки образуют в клетке сложную мембранную сеть и на многих участках сохраняют связь с цитоплазматической мембранной. У зеленых бактерий светособирающие пигменты, участвующие в фотосинтезе, содержаться в особых структурах, называемых хлоросомами.

Вопрос 44. Краткая характеристика и использование в биотехнологическом производстве грибов – представителей родов Penicillium и Aspergillus. Изобразить строение этих микроорганизмов на рисунке, обозначив главные детали строения.

Грибы родов Penicillium и Aspergillus являются представителями класса Ascomycetes, самой обширной группой грибов с разветвленным многоклеточным мицелием. Этим грибам свойственно бесполое размножение при помощи конидий и поэтому формально относятся к несовершенным грибам – дейтеромицетам.

Грибы родов Penicillium и Aspergillus образуют колонии разных оттенков голубого, зеленого и других цветов. Многие плесени из родов Penicillium и Aspergillus растут на едва увлажненных субстратах. Осмотическое давление в их клетках достигает 2·105–2,5·105Па. Поэтому они относятся к группе осмофильных, т.е. «любящих» высокое осмотическое давление, микроорганизмам.

Рис. 1. Пенициллиум (А) и аспергиллус (Б): 1 – конидиеносец; 2 – цепочки конидий

По формам Penicillium и Aspergillus легко отличить друг от друга (рис 1). У Penicillium конидиеносец многоклеточный, ветвящийся, цепочки конидия образуют фигуру в виде кисти, за что этот род получил название «гриб-кистевик». У Aspergillus конидиеносцы неклеточные, расширенные в верхней части, а цепочки конидий ассоциируются со струями воды, льющимися из лейки, почему его называют «леечный гриб».

Грибы рода Aspergillus предпочитают южные почвы, в то время как грибы рода Penicillium – северные.

Грибы родов Penicillium и Aspergillus принимают участие в разложении жира и жирных кислот. Также участвуют в окислении углеводов до глюконата, оксалата и цитрата. Обладают гемицеллюлозоразлагающими свойствами. Являются активными окислителями восстановленных неорганических соединений серы. Грибы рода Penicillium вырабатывают фитотаксин – патулин.

Грибы родов Penicillium и Aspergillus могут вызвать отравление животных кормами. Работа с ними также опасна, так как споры грибов, содержащие токсичные вещества, попадают в полость рта, дыхательные пути и служат причиной остро протекающих заболеваний человека.

В XV–XVI вв. в народной медицине при лечении гнойных ран использовалась зеленая плесень рода Penicillium (Пенициллиум). В 1928 г. английский микробиолог Александр Флеминг заметил, что пенициллиум, случайно попавший в культуру стафилококка, полностью подавил рост бактерий. Эти наблюдения Флеминга легли в основу учения об антибиозе (антагонизме между отдельными видами микроорганизмов). В развитии исследований микробного антагонизма значительную роль сыграли Л.Пастер, И.И. Мечников.

Противомикробное действие зеленой плесени обусловлено особым веществом – пенициллином, выделяемым этим грибом в окружающую среду. В 1940 г. пенициллин был получен в чистом виде английскими исследователями Г.Флори и Э.Чейном, а в 1942 г., независимо от них, советскими учеными З.В. Ермольевой и Т.И. Балезиной. Во время второй мировой войны пенициллин спас жизни сотен тысяч раненых. Спрос на пенициллин был так велик, что его производство увеличилось с нескольких миллионов единиц в 1942 г. до 700 млрд единиц в 1945 г.

Пенициллин применяют при пневмонии, сепсисе, гнойничковых заболеваниях кожи, ангине, скарлатине, дифтерии, ревматизме, сифилисе, гонорее и других заболеваниях, вызванных грамположительными бактериями.

Открытие пенициллина положило начало поиску новых антибиотиков и источников их получения. С открытием антибиотиков появилась возможность успешного лечения почти всех инфекционных заболеваний, вызываемых микробами.

Но зеленые плесени успешно применяются не только в медицине. Большое значение имеют пенициллы вида P.roqueforti. В природе они обитают в почве. Мы хорошо знакомы с ними по группе сыров, характеризующихся «мраморностью»: «Рокфор», родиной которого является Франция, сыр «Горгонцола» из Северной Италии, сыр «Стилон» из Англии и др. Всем этим сырам свойственны рыхлая структура, специфический «плесневелый» вид (прожилки и пятна голубовато-зеленого цвета) и характерный аромат. P.roqueforti нуждается в малом количестве кислорода, выносит высокие концентрации углекислого газа.

При приготовлении мягких французских сыров «Камамбер», «Бри» и некоторых других используются P.camamberti и P.caseicolum, которые образуют на поверхности сыра характерный белый «войлочный» налет. под воздействием ферментов этих грибов сыр приобретает сочность, маслянистость, специфические вкус и аромат.

Грибы видов Aspergillus flavus и Aspergillus oryzae – главные компоненты сообщества плесневых грибов, развивающихся на зерне и семенах, главным образом на рисе, горохе, соевых бобах, арахисе. Они продуцируют ферменты: амилазы, липазы, протеиназы, пектиназы, целлюлазы и др. Именно поэтому A.oryzae и родственные ему виды используются на Востоке для пищевых целей в течение многих столетий. Спиртовая промышленность Японии и других стран Востока, в которых для изготовления рисовой водки сакэ требуется сначала осахарить крахмал риса, целиком основана на ферментативных свойствах грибов этой группы. Традиционный соевый соус «сэю», соево-рисовый соус «тыонг» (Вьетнам), суповая заправка на основе соевых бобов «мисо» (Япония, Китай, Филиппины) и другие продукты питания изготавливают с использованием аспергиллов.
Широкое применение в биотехнологии получила способность A.niger и других видов этой группы к образованию лимонной, щавелевой, глюконовой, фумаровой кислот. Кроме органических кислот аспергиллы, и в частности A.niger, cпocoбны cинтeзиpoвaть витамины: биотин, тиамин, рибофлавин и др. Это их свойство находит промышленное применение.