Лекция 6 Рост и размножение прокариот Генетика прокариот

Лекция 6. Рост и размножение прокариот. Генетика прокариот. План • 1. Рост бактериальной клетки. • 2. Размножение бактерий. • 3. Рост бактериальной популяции в статической культуре • 4. Фенотипическая и генотипическая изменчивость прокариот

Рост микроорганизмов Под ростом бактериальной клетки принято понимать скоординированное увеличение всех химических компонентов, формирующих клеточные структуры. Рост клеток сопровождается увеличением их массы и размеров.

Способы размножения микроорганизмов Равновеликое бинарное поперечное деление – характерно для большинства прокариот. Деление путем перетяжки (грамотрицательные) Деление путем синтеза поперечной перегородки (грамположительные) 3

Множественное деление – ряд последовательных бинарных делений, происходящих внутри материнской клеточной стенки. Pleurocapsa Dermocarpa 4

Почкование – вариант бинарного деления (неравновеликое бинарное деление). Приводит к образованию материнской и дочерней клеток. Почкование дрожжевых грибов Caulobacter 5

Скорость размножения прокариот Время генерации при благоприятных условиях для многих бактерий составляет 15 -20 -30 мин, для млекопитающих в культуре клеток – 1 сутки. За 24 часа у бактерий сменятся столько поколений, сколько у человека за 5000 лет. За 1 сутки бактериальная клетка может образовывать 472*109 особей, имеющих массу 4720 т.

Рост бактериальной популяции в статической культуре

1. Лаг-фаза включает период от посева бактерий на свежую питательную среду до достижения ими максимальной скорости роста. • Длительность лаг-фазы зависит от полноценности состава питательной среды и от состояния культуры микроорганизма. Чем полноценнее питательная среда, и чем моложе культура бактерий, тем короче лаг-фаза

2. Фаза экспоненциального роста (логарифмическая) – характеризуется максимальной скоростью деления бактерий. Общее количество бактерий определяют по формуле: N = N 0 2 n, где N – количество клеток в конце опыта; N 0 – количество клеток в начале опыта; n – число поколений или генераций. Процессы роста клеток протекают сбалансировано. 9

Рост бактериальной популяции в статической культуре

3. Фаза стационарного роста – характеризуется равновесием между погибающими и вновь образующимися клетками. Наблюдается максимальная численность клеток. Факторы перехода к стационарной фазе: • нехватка субстрата; • большая плотность популяции; • низкое парциальное давление О 2; • накопление токсичных продуктов. Процессы роста клеток протекают несбалансированно. 4. Фаза отмирания – характеризуется постоянной гибелью части клеток за единицу времени. 11

Непрерывное культивирование микроорганизмов Гомогенно-непрерывное проточное культивирование 12

Высокая скорость протока Понизится концентрация биомассы Низкая скорость протока Повысится концентрация биомассы Понизится концентрация субстрата 13

ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ И ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРОКАРИОТ • Фенотипическая изменчивость возникает как ответная реакция организма на изменение условий окружающей среды и проявляется у большинства особей в популяции. Она не является, наследственной и не приводит к изменению генетического аппарата бактерий. • Генотипическая изменчивость прокариот проявляется в виде мутаций и рекомбинаций и осуществляется в результате изменений в первичной структуре генетического аппарата.

Генотипическая изменчивость • Мутация (от лат. mutatio - изменение) стойкие наследственные изменения в структуре генетического аппарата. спонтанные индуцированные - генные - хромосомные

Генотипическая изменчивость • Рекомбинации - объединение геномов двух клеток, проявляется в фенотипе бактерий. трансформация трансдукция конъюгация

Этапы трансформации: • 1) адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности компетентной клетки-реципиента; • 2) ферментативное расщепление трансформирующей ДНК с образованием фрагментов со средней молекулярной массой (45)*106; • 3) проникновение фрагментов ДНК в клеткуреципиент, сопровождающееся деградацией одной из цепей ДНК и образованием одноцепочечных фрагментов; • 4) интеграция - включение фрагментов трансформирующей ДНК в ДНК клетки-реципиента путем генетического обмена; • 5) экспрессия - интенсивное размножение трансформированных клеток, потомство которых будет иметь измененный ген в молекуле ДНК.

Трансдукция заключается в переносе генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент умеренным бактериофагом • Явление трансдукции в 1952 г. открыли Н. Циндер и Дж. Ледерберг на при мере двух штаммов сальмонелл. • В процессе репродукции некоторых фагов небольшой фрагмент бактериальной хромосомы, содержащей один ген или несколько сцепленных генов, включается в геном фага. Трансдуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК предыдущего хозяина в новую чувствительную к нему бактериальную клетку. Таким образом бактериальная клетка-реципиент становится частичной зиготой.

Процесс конъюгации бактерий • F-пили необходимы клетке-донору для обеспечения контакта между ней и реципиентом. • По конъюгационному тоннелю происходит передача ДНК. 19

Лекция 7. Питание прокариот План 1. Химический состав прокариотной клетки. 2. Типы питания прокариот.

Химический состав прокариот Клетка содержит 70– 85 % воды. Сухое вещество составляет 15– 30 %. Углерод 50 % Кислород 20 % Азот 15 % Водород 8% Фосфор 8% Сера 1% Калий 1% Кальций 0, 5 % Магний 0, 5 % Железо 0, 2 % 21

Питание микроорганизмов Для роста микроорганизмов необходима вода и растворенные в ней питательные вещества. Макроэлементы Углерод Водород Сера Калий Магний Кислород Азот Фосфор Кальций Железо Микроэлементы Марганец Молибден Медь Цинк Натрий Вольфрам Кремний Йод Хлор Никель 22

Источники углерода По отношению к источникам углерода микроорганизмы делят на две группы: • автотрофы; • гетеротрофы. Миксотрофы – способны при изменении условий внешней среды переключаться с одного типа питания на другой. 23

Типы питания прокариот Тип питания Источник энергии Донор электронов Источник углерода Представители прокариот Фотолитоавтот рофы Свет Н 2 О, неорганические соединения (Н 2 S, S. Na 2 S 2 O 3, H 2 ) СО 2 Цианобактерии, зеленые, серные, пурпурные бактерии Фотоорганоавт отрофы Свет Органические соединения СО 2 и Некоторые органическ пурпурные ие бактерии соединения Хемолитоавтот рофы Реакции окисления неорган. веществ Неорганические соединения (Н 2, Н 2 S, NH 3, Fe 2+) СО 2 Хемоорганогет еротрофы Реакции окисления органичес ких веществ Органические соединения Органическ Большинство ие бактерий соединения (аммонификаторы, азотфиксаторы, молочнокислые, укс уснокислые, маслянокислые) и Нитрифицирующие, тионовые, водородные, ацидофильные железобактерии

Фотолитоавтотрофы Бактериальный фотосинтез (фоторедукция) Фотосинтезирующие бактерии представлены двумя классами: Anoxyphotobacteria, Oxyphotobacteria. И соответственно подгруппами: зеленые, серные пурпурные, несерные пурпурные, гелиобактерии; цианобактерии, прохлорофиты.

Фотоорганоавтотрофы • Фотоорганоавтотрофы представлены немногочисленным семейством Rhodospirillaceae, включающим три рода: Rhodospirillum, Rhodopseudomonas и Rhodomicrobium.

Хемолитоавтотрофы • К хемолитоавтотрофам относится большинство видов нитрифицирующих (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira), тионовых бактерий (Thiobacillus denitrificans, Т. thiooxidans, Т. acidophilus, Thiomicrospira pelophila), некоторые виды из группы одноклеточных железобактерий и водородные бактерии.

Хемоорганогетеротрофы • Хемоорганогетеротрофы наиболее широко распространены в природе. Им принадлежит роль санитаров нашей планеты, так как они ведут процессы минерализации самых разнообразных, подчас сложных органических веществ.

Среди разных групп прокариот нет резкой границы между различными типами питания