Лекция 1 Тема: «Взаимоотношение между структурой и
lekcii_1-6_specglavy_mikrobiologii.pptx
- Размер: 41.2 Мб
- Автор:
- Количество слайдов: 98
Описание презентации Лекция 1 Тема: «Взаимоотношение между структурой и по слайдам
Лекция 1 Тема: «Взаимоотношение между структурой и функцией в клетках прокариотических и эукариотических микроорганизмов»
Вопросы: 1. Общие представления о различиях в структурно-функциональной организации эукариотических и прокариотических микроорганизмов. 2. Структурная организация и функционирование эукариотической клетки. 3. Структурная организация и функционирование прокариотической клетки.
• Эндоплазматический ретикулу м-это сеть взаимосвязанных каналов, пронизывающих внутреннее пространство клетки и находящихся в контакте с ядром и цитоплазматическими рибосомами. Эндоплазматический ретикулум образует ядерную мембрану.
• Аппарат Гольджи состоит из плотно уложенных мешочков различной величины. Функции: • — «упаковка» белков, синтезируемых в эндоплазматическом ретикулуме; • -транспорт этих веществ в разные участки клетки и к её поверхности. – Структуры, ответственные за дыхание и фотосинтез, содержатся в органеллах двух разных типов: митохондриях и хлоропластах.
• Репликация, транскрипция и трансляция эукариотического генома происходят в ядре, цитоплазме, в митохондриях и в хлоропластах клетки. • У эукариот генетическая информация, содержащаяся в ядре , распределена по хромосомам. • Каждому виду эукариот свойственны определённое число и форма хромосом- набор хромосом определяет кариотип данного вида.
• Две клетки, участвующие в половом размножении, называют гаметами. • Образующаяся в результате слияния гамет клетка, называется зиготой. Зигота содержит два полных набора хромосом. Клетки, содержащие двойной набор хромосом, называют диплоидными , один набор- гаплоидными.
• Перенос внутрь клетки твёрдых частиц или капель жидкости путём их заключения в мешочек из плазматической мембраны с последующим отрывом их от клеточной стенки называют эндоцитозом. Этим свойством обладают только эукариоты.
• Микротрубочки — многофункциональный элемент эукариотической клетки служит структурной основой митотического веретена, играет важную роль в установлении и поддержании определённой формы эукариотических клеток.
• Различия клеточных мембран прокариотических и эукариотических клеток по липидному составу : • -липиды, относящиеся к стеринам , входят в состав только мембран эукариот, но не содержатся в мембранах прокариот; • -жирные кислоты мембран эукариот включают полиненасыщенные кислоты , у прокариот имеются только насыщенные или мононенасыщенные жирные кислоты. • -главным липидным компонентом бактериальных мембран являются фосфолипиды.
• Функции цитоплазматической мембраны прокариот : • -барьерная; • -транспортная (с помощью транслоказ); • -дыхательная; • -фотосинтетическая; • -генерирование электрохимической энергии ;
• Типы транспортных систем у прокариот : • -пассивная диффузия; • -облегченная диффузия; • -активный транспорт; • -перенос химически модифицированных молекул.
Лекция 1 Тема: «Общие представления об обмене веществ у микроорганизмов. Понятия анаболизма, катаболизма и метаболизма. Термодинамические закономерности обменных процессов у прокариот и эукариот. Понятия аэробиоза и анаэробиоза. Определение и природа дыхания, брожения и фотосинтеза»
Вопросы: 1. Общие представления об обмене веществ у микроорганизмов. Понятия анаболизма, катаболизма и метаболизма. 2. Механизм метаболизма у бактерий. 3. Дыхание и брожение у микроорганизмов. 4. Фотосинтез. 5. Метаногенез. 6. Роль ферментов в обмене веществ у микроорганизмов.
• Обмен веществ (метаболизм)- совокупность протекающих в клетке процессов , обеспечивающих воспроизводство биомассы микроорганизмов. • Энергетический метаболизм- это комплекс реакций, приводящих к мобилизации энергии и преобразованию её в электрохимическую (∆μ н+ ) или химическую (АТФ) формы. • Конструктивный метаболизм — это комплекс реакций , направленных на синтез веществ клетки. Это процесс, связанный с потреблением свободной энергии, запасённой в молекулах АТФ или других богатых энергией соединениях.
• Для обозначения энергетических и конструктивных процессов используются термины «катаболизм» и «анаболизм» . • Метаболические реакции, направленные на ферментацию исходных субстратов вне клетки, называют переферическим метаболизмом , а ферменты, участвующие в этих процессах- переферическими. • Последующие превращения субстрата в микробной клетке называют промежуточным метаболизмом.
• Азот — входит в состав белков и нуклеиновых кислот. • Аминоавтотрофы — синтезируют белок из минеральных или простейших соединений азота почвы, из азота атмосферы. • Аминогетеротрофы — для синтеза белковых соединений используют готовые органические соединения.
• Калий- активизирует ферментативные процессы, ускоряет течение физиологических процессов. • Магний- входит в состав хлорофилла у зелёных и пурпурных бактерий, участвует в ферментативных реакциях. • Фосфор — входит в состав нуклеиновых кислот, принимает участие в процессах дыхания. • Сера- входит в состав аминокислот: цистина, цистеина, метионина. • Железо- входит в состав дыхательных ферментов, ускоряет процессы окисления. • Микроэлементы (молибден, бор, марганец, кобальт, медь и др. ) являются компонентами ферментов и витаминов. • Витамины — активаторы биологических процессов.
• Пассивная диффузия- поступление веществ в микробную клетку вследствие разности их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Осуществляется без затрат энергии. • Облегченная диффузия- перенос веществ в микробную клетку при участии белков-переносчиков (пермеаз или транслоказ). Процесс требует затрат энергии.
• Дыхание микроорганизмов -это биологическое окисление различных органических соединений и некоторых минеральных веществ. В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование) , а восстановление -его присоединение (гидрирование). • Энергия, освобождаемая при окислительно-восстановительных реакциях, накапливается в макроэргических соединениях АДФ и АТФ. Эти соединения имеют макроэргические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии.
Расщепление глюкозы в аэробных условиях: С 6 H 12 O 6 +6 O 2 6 CO 2 +6 H 2 O ( G=-2872 к. ДЖ/моль)
Аэробное окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями: 1. CH 3 CH 2 OH+O 2 CH 3 COOH+H 2 O ( G=-494 к. ДЖ/моль) 2. CH 3 CH 2 OH+3 O 2 2 CO 2 +3 H 2 O ( G=-1366 к. ДЖ/моль)
Нитратное дыхание – восстановление нитратов до молекулярного азота: 5 C 6 H 12 O 6 +24 KNO 3 24 KHCO 3 +18 H 2 O+12 N 2 +6 CO 2 ( G=-1760 к. ДЖ/моль) Сульфатное дыхание –восстановление сульфатов до сероводорода: C 6 H 12 O 6 +3 K 2 SO 4 3 K 2 CO 3 +3 CO 2 +3 H 2 O+3 H 2 S ( G=-1760 к. ДЖ/моль)
Брожение -это процесс расщепления органических углеродсодержащих соединений в анаэробных условиях. Сбраживание глюкозы : C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 ( G=-166 к. ДЖ/моль)
Гликолиз (в анаэробных условиях)-совокупность последовательно протекающих окислительно-восстановительных реакций, в результате которых одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты: C 6 H 12 O 6 → 2 C 3 H 4 O 3 +4 H+2 ATФ Глюкоза Пировино- градная кислота Чистый выход
Фотосинтез — процесс, при котором происходит превращение световой энергии в химическую. Фотосинтетический аппарат представлен тремя компонентами: • антенна; • реакционный центр; • электронно-транспортная цепь;
Свойства ферментов: • специфичность действия • термолабильность • ферменты действуют при определенной p. H Ферменты не изменяются к концу реакции, не входят в состав конечных продуктов, нетоксичны.
Классификация ферментов: • оксидоредуктазы; • трансферазы; • гидролазы; • лиазы; • изомеразы; • лигазы (синтетазы).
Лекция 2 Тема: «Конструктивный метаболизм микробной клетки. Общие принципы биосинтеза макромолекул у микроорганизмов. Синтез аминокислот, нуклеотидов, липидных компонентов, ДНК, РНК, белков, полисахаридов, других структурных компонентов клетки»
Вопросы: 1. Общие принципы биосинтеза макромолекул у микроорганизмов; 2. Синтез структурных компонентов микробной клетки.
• Конструктивный метаболизм — это совокупность биосинтетических реакций , в результате которых происходит синтез клеточных полимеров из низкомолекулярных соединений. Комплекс этих реакций называют пластическим обменом.
• Образование АТФ является основным механизмом депонирования и перераспределения свободной энергии; большая часть энергии рассеивается в виде тепла. АТФ может служить донором фосфатной группы для многих промежуточных продуктов обмена (интермедиатов), переводя их в активную форму. • Фосфорилирование гексоз -первый этап в процессах синтеза полимерных углеводов, и при катаболическом разложении сахаров.
• Азот наряду с углеродом, водородом и кислородом является основным элементом при построении клетки. Природный азот бывает в окисленной, восстановленной и молекулярной формах. Прокариоты усваивают азот в восстановленной форме-это соли аммония, мочевины, органические соединения (аминокислоты, пептиды). Окисленные формы азота (нитраты) перед включением в органические соединения восстанавливаются до аммиака.
• Восстановление нитратов до аммиака происходит при последовательном действии двух ферментов: нитратредуктазы и нитритредуктазы. Нитратредуктаза катализирует НАД- Н 2 –зависимое восстановление нитрата до нитрита, а затем нитритредуктаза катализирует восстановление NO 2 до NH 3.
• Сера -входит в состав аминокислот (цистин, цистеин, метионин), витаминов и кофакторов некоторых ферментов (биотин, липоевая кислота, кофермент А и др. ). Прокариоты потребляют серу в форме сульфата , который восстанавливается до сульфида. • Фосфор является компонентом нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментов. Основной формой фосфора в природе являются фосфаты , которые используются прокариотами.
• Ионы металлов -используются микроорганизмами в форме катионов неорганических солей. Металлы входят в состав основных клеточных метаболитов и участвуют в осуществлении жизненно важных функций микроорганизма.
Группы прокариотов по способу использования углерода для конструктивного метаболизма: • Автотрофы — микроорганизмы, способные синтезировать все компоненты клетки из углекислоты; • Гетеротрофы — микроорганизмы, источником углерода у которых служат органические соединения (облигатные внутриклеточные паразиты, факультативные паразиты, сапрофиты). • Понятия «авто-» и «гетеротрофия» характеризуют тип конструктивного метаболизма.
• В пластическом обмене пируват служит источником синтеза углеводов, белков, жиров и др. Пировиноградная кислота или любое другое соединение, превращение которого ведёт к образованию пирувата, может быть единственным органическим веществом, обусловливающим рост и развитие бактерий.
• Липиды -гетерогенный класс клеточных компонентов, выделенный на основании их растворимости в неполярных растворителях (эфир, бензол, хлороформ) и нерастворимости в воде. К ним относят жиры, фосфолипиды, стероиды, изопреноиды и поли-β-оксибутират.
Глутаминовая кислота и глутамин прямо или косвенно служат донорами амино- и амидогрупп при синтезе практически всех аминокислот и других азотсодержащих соединений. Синтез аминокислот посредством реакции переаминирования: Глутаминовая кислота + щавелевоуксусная кислота аспарагиновая кислота + α-кетоглутаровая кислота
Включение азота аммиака в состав органических соединений: NH 3 CO ONH 3 +CO 2 +2 АТФ + 2 АДФ+Ф Н PO 3 H 2 карбамоилфосфат
• Пуриновые нуклеотиды построены на основе фосфорибозилпирофосфата, с которого и начинается их синтез. Девятичленное пуриновое кольцо синтезируется из аминогрупп и мелких углеродсодержащих групп, причём все интермедиаты биосинтеза-рибонуклеотиды.
• Пиримидиновые нуклеотиды формируются при последовательных превращениях карбоксилсодержащих соединений. Рибозофосфатный остаток присоединяется только после синтеза шестичленного пиримидинового кольца из аспарагиновой кислоты и карбомоилфосфата.
• Процесс синтеза С 6 — углеводов из неуглеводных соединений, например аминокислот, глицерина, молочной кислоты, называется глюконеогенезом.
Пути биосинтеза жирных кислот : 1. СН 3 СО ῀ SCOA +CO 2 +АТР+Н 2 О НООС СН 2 СО ῀ SCOA +ADP+P I 2. Ацетил Со. А + 7 Малонил-Со. A +14 NADPH 2 Пальмитил-Со. А +14 NADP+ 7 CO 2 + 7 Co. A +7 H 2 O Метильная группа ацетилкофермента А Малонил — Со. А
Лекция 3 Тема: «Энергетический метаболизм микробной клетки. Пути метаболизма, приводящие к образованию макроэргов. Роль АТФ, пиридиновых нуклеотидов и других соединений с богатыми энергией связями в клеточном метаболизме»
Вопросы: 1. Пути метаболизма, приводящие к образованию макроэргов. 2. Характеристика высокоэнергетических соединений. 3. Роль высокоэнергетических соединений в клеточном метаболизме.
Общий вид процессов- источников энергии для прокариот А В+е — Например, (1) Fe 2+ Fe 3+ +e — (2) -CH 2 — -CH=CH- +2 e — (3) CH 4 +1/2 O 2 CH 3 OH
Три способа получения энергии у прокариот: • Дыхание • Брожение • Фотосинтез
Три типа фотосинтеза у прокариот: 1. Зависимый от бактерохлорофилла бескислородный фотосинтез (зеленые, пурпурные, гелиобактерии); 2. Зависимый от хлорофилла кислородный фотосинтез (цианобактерии, прохлорофиты); 3. Зависимый от бактериородопсина бескислородный фотосинтез(экстремальные галофильные архебактерии);
Две универсальные формы энергии у прокариотов: 1. Энергия высокоэнергетических химических соединений (химическая); 2. Энергия трансмембранного потенциала ионов водорода (электрохимическая);
Выделение свободной энергии при гидролизе молекулы АТФ: 1. АТФ+Н 2 АДФ+Ф Н G 0 ’=-31, 8 к. ДЖ/моль 2. АДФ+Н 2 АМФ+Ф Н G 0 ’=-31, 8 к. ДЖ/моль 3. АМФ+Н 2 адензин+Ф Н G 0 ’=-14, 3 к. ДЖ/моль
Уравнение реакции синтеза и гидролиза АТФ в клеточной мембране в присутствии Н + -АТФ синтазы АДФ+ Ф Н + n H HAP + АТФ+H 2 O+ n H внутр +
Обратимые реакции окисления-восстановления НАД и НАД Ф НАД + +2 Н НАД Н+Н + НАД Ф + +2 Н НАД Ф Н+Н +
Лекция 4 Тема: «Дыхание. Аэробный и анаэробный типы дыхания у микроорганизмов. Внутриклеточная локализация, строение и физиологическая функция электротранспортных цепей. Системы цитохромов и механизмы переноса электронов у прокариот и эукариот»
Вопросы: 1. Определение и природа дыхания, его типы 2. Механизм дыхательного процесса. Внутриклеточная локализация, строение и физиологическая функция электротранспортных цепей 3. Системы цитохромов и механизмы переноса электронов у прокариот и эукариот
Дыхание бактерий представляет собой метаболический процесс ферментативного окисления различных органических соединений и некоторых минеральных веществ, идущий как без, так и с образованием АТФ, в ходе которого органические или неорганические соединения служат донорами электронов (окисляются), а акцепторами электронов обязательно служат неорганические соединения (восстанавливаются)
Расщепление глюкозы в аэробных условиях: С 6 H 12 O 6 +6 O 2 6 CO 2 +6 H 2 O ( G=-2872 к. ДЖ/моль)
Дыхательная цепь –это система дыхательных ферментов, которые находятся в мембранах микробных клеток
Аэробное окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями: 1. CH 3 CH 2 OH+O 2 CH 3 COOH+H 2 O ( G=-494 к. ДЖ/моль) 2. CH 3 CH 2 OH+3 O 2 2 CO 2 +3 H 2 O ( G=-1366 к. ДЖ/моль)
Нитратное дыхание – восстановление нитратов до молекулярного азота: 5 C 6 H 12 O 6 +24 KNO 3 24 KHCO 3 +18 H 2 O+12 N 2 +6 CO 2 ( G=-1760 к. ДЖ/моль) Сульфатное дыхание –восстановление сульфатов до сероводорода: C 6 H 12 O 6 +3 K 2 SO 4 3 K 2 CO 3 +3 CO 2 +3 H 2 O+3 H 2 S ( G=-1760 к. ДЖ/моль)
Три составляющих механизма дыхания микроорганизмов 1. Клеточная локализация и компонентный состав переносчиков электронов и протонов в дыхательной цепи. 2. Взаиморасположение и функции компонентов в мембране. 3. Значения окислительно-восстановительных потенциалов компонентов дыхательной цепи
Компоненты электротранспортной цепи, участвующие в окислении водорода • Флавопротеины — ферменты, содержащие в качестве простетических групп флавинмононуклеотид (ФМН) или фламинадениндинуклеотид (ФАД) • Железосерные белки — окислительно-восстановительные системы переносящие электроны. Содержат атомы железа, связанные, с одной стороны, с серой аминокислоты цистеина, а с другой-с сульфидной серой • Хиноны — группа окислительно-восстановительных систем в дыхательной цепи. У грам(+) бактерий-нафтохиноны, у грам(-)- убихинон, в хлоропластах- пластохиноны. • Цитохромы — переносят только электроны; водород они не транспортируют. В качестве простетической группы цитохромы содержат гем.
Таблица 3 — Окислительно-восстановительные потенциалы компонентов дыхательной цепи Компоненты дыхательной цепи Е 0 ’ , В Разность величин Е 0 ’ , В — G o ’ к. ДЖ/моль Водород -0, 42 0, 10 19, 3 NAD -0, 32 0, 24 46, 4 Флавопротеин -0, 08 0, 04 7, 7 Цитохром b -0, 04 0, 31 59, 8 Цитохром с +0, 27 0, 02 3, 8 Цитохром а +0, 29 0, 52 100, 4 Кислород +0,
Лекция 6 Тема : «Брожение. Типы брожения у микроорганизмов. Сбраживаемые и несбраживаемые соединения. Спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое брожение»