Лекция 3 Микроорганизмы и важнейшие физические факторы

Лекция № 3 «Микроорганизмы и важнейшие физические факторы среды обитания. Влияние излучений на микроорганизмы» по дисциплине «Экология микроорганизмов»

План лекции n Влияние видимого света. Фототаксис, фотохромность и фотосинтез у микроорганизмов. n Механизмы повреждающего действия УФ. n Радиорезистентность микроорганизмов и ее молекулярные механизмы.

Спектр солнечного света

Биологические эффекты, вызываемые излучением разной длины волны: 1 – повреждение ДНК и белков, 2 – фотореактивация ДНК, 3 – фототаксис и фотосинтез эукариот, 4 – фототаксис и фотосинтез прокариот.

Действие видимого света n n Видимый свет в качестве источника энергии используют фототрофные бактерии. Фотосинтез – преобразование фототрофными микроорганизмами солнечной энергии в биохимически доступную. Способность к фотосинтезу определяется наличием пигментов бактериохлорофиллов. Пигмент Фотосинтез Группа бактерий Максимум инфракрасного поглощения in vivo (нм) Бактериохлорофилл a Цианобактерии 805, 830 -890 Бактериохлорофилл b Пурпурные бактерии 835 -850, 10201040 Бактериохлорофилл c Оксигенный Пурпурные бактерии, Chloracidobacterium thermophilum Зелёные серобактерии, Chloroflexi, 745 -755 C. thermophilum Бактериохлорофилл cs Chloroflexi 740 Бактериохлорофилл d Зелёные серобактерии 705 -740 Бактериохлорофилл e Зелёные серобактерии 719 -726 Бактериохлорофилл g Гелиобактерии 670, 788 Аноксигенный Пурпурные, зеленые и галобактерии

Действие видимого света Водоросли и цианобактерии Зеленые и пурпурные бактерии Пурпурные серобактерии Распределение микроорганизмов вдоль профиля водоема Цианобактерия Anabaena Нитчатая цианобактерия Oscillatoria Микроорганизмы способны менять метаболизм при смене освещенности, «усваивать» свет периодически или только в определенных условиях.

Процессы, опосредованные действием видимого света Фототаксис (от фото - свет и taxis – расположение) – двигательная реакция подвижных микроорганизмов в ответ на световой стимул. Положительный фототаксис-движение к свету, отрицательный-наоборот. Механизм фототаксиса включает три основные стадии: 1) поглощение света и первичная реакция в фоторецепторе; 2) преобразование стимула и передача сигнала двигательному аппарату; 3) изменение движения жгутиков. Фотокинез – изменение скорости движения бактерий в ответ на изменение силы света. Реакция характерна для нефотосинтезирующих микроорганизмов. Фотохромность – зависимость образования пигментов некоторыми микроорганизмами от освещения (Myxococcus xanthus, актиномицеты, и др. ). Фотосенсибилизаторы - вещества, в молекуле которых имеется хромофор, поглощающий свет и передающий его энергию другим молекулам, не способным поглощать свет. Среди природных веществ фотосенсибилизаторами являются псоралены (фурокумарины), хлорофилл, фикобилины, порфирины и др. Myxococcus xanthus

Действие ультрафиолетового излучения n n Эффекты, вызываемые облучением живых организмов, зависят от длины волны излучения и его дозы, т. е. от энергии и количества поглощенных квантов. УФ оказывает бактерицидный (чем λ меньше, тем Е больше) и мутагенный эффекты ¨ ¨ ¨ УФ-А 315 -400 нм УФ-В 280 -315 нм УФ-С 100 -280 нм Биологическое значение – область вблизи 260 нм

Действие ультрафиолетового излучения Исходя из совпадения кривой поглощения нуклеиновых кислот и кривой подавления жизнедеятельности клеток при облучении в зависимости от длины волны, а также частоты мутаций в популяции, можно сделать вывод о том, что УФ-лучи действуют в основном на нуклеиновые кислоты.

Механизмы повреждающего действия УФ двунитиевые разрывы однонитиевый разрыв Т-Т сшивка дезаминирование цитозина

Действие ультрафиолетового излучения Действие ближних УФ-лучей (320 -400 нм) n Нарушение механизмов движения и таксиса. n Замедление роста культур и скорости деления клеток. n Угнетение индукции ферментов. Останавливается синтез белка. n n n При высоких дозах - мутагенный и летальный эффекты. Повреждения ДНК и транспортных систем мембран. Может вызвать фотопротекцию (снижение биологического эффекта следующего облучения дальним УФ). Действие среднего (290 -320 нм) и дальнего (290 -200 нм) УФ n Образование пиримидиновых димеров в ДНК. n Гидроксилирование цитозина и урацила. n Образование цитозин-тиминовых аддуктов. n Образование сшивок ДНК с белками. n Разрывы цепей и денатурация ДНК. n Формирование поперечных сшивок ДНК.

Действие ионизирующего излучения Источники ионизирующего излучения естественные искусственные -космические лучи - испытание ядерного оружия -нарушение работы АЭС - применение радиозотопов Непосредственные повреждения – разрывы, Опосредованные – возникают в связи с образованием радикалов, вызывающих разрывы или изменения молекул в растворе, вызванные продуктом радиационного разложения воды, а не энергией излучения. Ионизирующее излучение используется для стерилизации биопрепаратов, перевязочного материала, инструментов.

Защитные механизмы в условиях интенсивного облучения n Репарационные системы клетки: световая репарация; ¨ темновая репарация: ¨ n n n n эксцизионная; пострепликативная рекомбинационная; синтез пигментов – «энергетических ловушек» ; наличие определенных продуктов метаболизма - внутриклеточных радиопротекторов; повышение уровня каталазной активности; изменение морфологии клетки; увеличение содержания ДНК. Окраска галобактерий обусловлена наличием каротиноидов, которые защищают клетку от фотоповреждения

Механизмы резистентности Deinococcus radiodurans обладает наивысшей резистентностью к гаммаизлучению по сравнению со всеми изученными до сих пор микроорганизмами, а также высокой резистентностью к УФ-излучению. Степень радиорезистентности зависит от работы систем репарации и регуляции. Deinococcus radiodurans способен репарировать даже двунитевые разрывы ДНК.