Учебно-методический комплекс по дисциплине «микробиология» Учебно-методический комплекс Составитель: к б. н
1 чел. помогло. | скачать ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СТЕРЛИТАМАКСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра общей биологии УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС по дисциплине «МИКРОБИОЛОГИЯ» Учебно-методический комплекс Составитель: к.б.н, Обсужден и утвержден доцент На заседании кафедры З.М. Курамшина «____»_______200__г Заведующий кафедрой ______________ д.б.н., профессор Д.Н. Карпов Стерлитамак 2008 Оглавление
^ Специфичность прокариотической клетки и методов ее изучения. Деление, размножение, культивирование микроорганизмов. Систематика: группы архей и группы бактерий. Типы питания бактерий. Метаболизм. Способы обеспечения энергией - брожение, аэробное дыхание, анаэробное дыхание, фотосинтез, хемосинтез. Биосинтетические процессы: ассимиляция СО2 автотрофами и гетеротрофами. Циклы рибулезобифосфатный и трикарбоновых кислот – источники метаболитов. Азотный обмен. Синтез биополимеров. Влияние факторов внешней среды. Биогеохимическая деятельность микроорганизмов: рудообразование, почвообразование, формирование состава атмосферы. Взаимодействие с растениями, животными, человеком. Вирусы. Бактериофаги. Микроорганизмы и эволюционный процесс. Решение проблем продовольствия, энергетики, здравоохранения и охраны окружающей среды современными биотехнологическими производствами на базе микроорганизмов. ^ Введение к учебной программе: Изучение микробиологии необходимо для правильного понимания биологического значения микроорганизмов, их огромной роли в природе и жизни человека. Современная микробиология крайне важна не только для расширения и углубления знаний живой материи, но и решения важнейших проблем в области биологии, медицины, экологии и других научных дисциплин и областях человеческой жизни. В связи с разнообразием объектов микробиологии и их роли в природе и жизни человека современная микробиология распадается на ряд самостоятельных дисциплин. Медицинская и ветеринарная микробиология изучает патогенные микроорганизмы, их экологию, распространенность, методы их выделения и идентификации. С бурным развитием медицинской микробиологии сформировались иммунология, санитарная, клиническая, фармацевтическая микробиология. Общая микробиология исследует основные закономерности жизни микроорганизмов, их биологическое значение. В общей микробиологии выделяют почвенную, водную, геологическую и др. Промышленная микробиология разрабатывает способы культивации полезных микроорганизмов в промышленных масштабах. На использовании микроорганизмов возникла и развивается биотехнология. Высокопродуктивные штаммы микроорганизмов с заданными свойствами способны сегодня синтезировать антибиотики, ферменты, витамины, гормоны и другие вещества, используемые человеком в медицине, различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Микроорганизмы используют для биодеградации токсических веществ, попавших в окружающую среду и утилизации побочных продуктов промышленности. Учебная программа составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта подготовки по образованию по специальности «032400 (050102) – Биология с дополнительной специальностью 050101 Химия». ^
^ Тема 1. Введение Предмет и методы микробиологии. Общая микробиология— наука, изучающая морфологию, цитологию, биохимию, генетику, экологию и систематику микроорганизмов (бактерий, архей, микроскопических грибов, простейших, водорослей, вирусов). Методы классической микробиологии: микроскопия, методы стерилизации, методы получения чистых культур и культивирование микроорганизмов на питательных средах, методы хранения микроорганизмов. Участие микроорганизмов в минерализации органических веществ, регуляции газового состава атмосферы, в очистке окружающей среды от токсичных веществ, в поддержании плодородия почвы, в образовании полезных ископаемых, в получении кормовых и пищевых продуктов, топлива, химических реактивов и лекарственных препаратов. Исторический очерк. Открытие микромира А. ван Левенгуком. Работы Л.Пастера, Р.Коха, И.И. Мечникова, Н.Ф.Гамалея, С.Н.Виноградского, М.Бейеринка, А. Флеминга, П.Эрлиха и др. Открытие вирусов Д.И.Ивановским. Развитие биохимического направления в микробиологии А.Клюйвером, К.ванНилем. Работы отечественных микробиологов: Н.В.Циклинской, Г.А. Надсона, Н.А. Красильникова, Е.Л. Шапошникова, Е.Н. Кондратьева, З.Е.Ермольевой и др. Развитие микробиологии в XX столетии. Выделение самостоятельных дисциплин: общей микробиологии, медицинской, ветеринарной, сельскохозяйственной, технической, космической, генетики и генной инженерии микроорганизмов, вирусологии, молекулярной биологии, биотехнологии. Перспективы развития микробиологии в XXI столетии. Решение глобальных проблем по стабилизации бактериями газового состава атмосферы Земли, охрана окружающей среды, непосредственное участие в решении продовольственных, медицинских и энергетических проблем человечества. ^ Сходство и различие в организации клеток эукариот и прокариот. Особенности организации микроскопических грибов, водорослей, простейших. Морфология, ультраструктура, макромолекулярная организация клеток прокариот. Морфологическое разнообразие. Одноклеточные и многоклеточные (нитчатые, мицелиальные) формы. Структурные различия грамположительных и грамотрицательных бактерий и архей. Образование форм, сфероидов, протопластов. ^ Строение и функции клеточных стенок у грамотрицательных бактерий: наружная мембрана, пептидогликановый (муреиновый) слой. Понятие о периплазматическом пространстве, его роли и значении как особого полифункционального компартмента бактериальной клетки. Особенности строения клеточной стенки грамположительных бактерий: пептидогликан, тейхоевые кислоты. Клеточные стенки архей: гетерополисахаридные, псевдомуреиновые, гликопротеиновые, белковые. Археи без клеточных стенок. Гликокаликс, капсулы, чехлы. Их значение при взаимодействии клеток прокариот с окружающей средой и между собой. Бактериальные лектины. Пили (фимбрии). Клеточные выросты: простеки, гифы, шипы. Антигенные свойства поверхностных структур прокариот. ^ Жгутики. Принципиальное отличие бактериального жгутика от жгутика прокариот. Аксиальные фибриллы спирохет. Скользящая и ползающая подвижность некоторых бактерий, ее механизм. Таксисы. ^ Цитоплазматическая мембрана, особенности ее состава, структуры и функции у бактерий, понятие о полифункциональности мембран. Мезосомы. Мембраны архей. Особенности транспорта веществ у бактерий и механизмы, обеспечивающие обмен веществ с окружающей средой. Локализация дыхательных и фотосинтетических цепей транспорта электронов. ^ Цитозоль. Рибосомы архей и бактерий: состав, строение, функции. Различия рибосом эукариот и прокариот. Нуклеоид (бактериальная хромосома). Гистоноподобные белки эукариот и архей. Связь нуклеоида с цитоплазматической мембраной. Плазмиды и другие генетические элементы. ^ Запасные вещества: полифосфаты (волютин), гранулы поли-b-оксимасляной кислоты, элементарная сера, цианофициновые гранулы. Структуры (включения), имеющие функциональное приспособительное значение: карбоксисомы, газовые вакуоли, магнитосомы, хлоросомы зеленых бактерий, фикобилисомы цианобактерий. Белковые кристаллы. Белковые мембраны бактериальных включений — особый тип клеточных мембран, присущий только прокариотам. ^ Репликация ДНК, сегрегация нуклеоида и формирование перегородки при делении клеток прокариот. Почкование бактерий. Скорость размножения. Клеточные циклы бактерий (бацилл, простекобактерий, миксобактерий). Клеточная диссоциация. Клеточная дифференцировка в процессе онтогенетического развития бактерий. Покоящиеся формы. Экзоспоры, эндоспоры, цисты, миксоспоры, акинеты. Образование специализированных клеток (гетероцисты цианобактерий). Вирусы. Cтруктура. Классификация. Взаимодействие с клеткой хозяина. Лизогения. ^ Рост микроорганизмов. Рост популяций в периодической и непрерывных культурах. Накопительные, чистые и смешанные, культуры микроорганизмов. Рост в периодической и непрерывной культуре. Методы культивирования. Устройство промышленных ферментеров. ^ Геном. Генотип. Фенотип. Механизмы репликации бактериальной хромосомы. Высокая изменчивость прокариот. Мутагены. Мутации. Рекомбинации генетического материала: репарация, трансформация, трансдукция, конъюгация. Значение мутаций. Перспективы генной инженерии. ^ Правила номенклатуры и идентификации микроорганизмов. Разнообразие микроорганизмов и принципы построения их классификации. Основные признаки, используемые при классификации прокариот: морфологические, физиологические, биохимические, экологические, генетические. Нумерическая систематика. Хемотаксономия. Филогения микроорганизмов, основанная на последовательности 16S — рРНК. Рибосомные нуклеиновые кислоты как эволюционные хронометры. Основные филогенетические группы архей. Экстремально-галофильные археи. Метаногены. Археи, окисляющие соединения серы. Термоплазмы. Основные филогенетические группы бактерий: Цианобактерии. Пурпурные бактерии. Зеленые серные бактерии. Зеленые несерные (нитчатые) бактерии. Спирохеты. Хламидой. Цитофаги - флавобактерии. Термотогалес. Дейнококкус — Термус. Планктомицес — Пирелла. Грамположительные бактерии (микобактерии, актиномицеты, молочнокислые, пропионовокислые, клостридии, микоплазмы, гелиобактер и др.). ^ Потребности прокариот в питательных элементах и микроэлементах. Источники биогенных элементов. Факторы роста. Механизм поступления питательных веществ в клетку бактерий, мембранный транспорт, диффузия. Эндо- и экзоцитоз у эукариот. Типы питания бактерий. Фототрофия,. хемотрофия. Автотрофия и гетеротрофия. Литотрофия и органотрофия. Соотношение этих типов питания у разных организмов. Прототрофы и ауксотрофы. Понятие о миксотрофии. ^ Способы обеспечения энергией. Экзогенные и эндогенные окисляемые субстраты. Доноры электронов. Переносчики электронов и электронтранспортные системы: их особенности у различных организмов. Роль АТФ; способы ее образования. Брожения. Определения понятия «брожение». Пути сбраживания углеводов и других органических соединений. Молочнокислое гомо- и гетероферментативное брожение. Пропионовокислое, маслянокислое, муравьинокислое, спиртовое и другие виды брожений. Характеристика микроорганизмов, вызывающих брожения. ^ Формы участия молекулярного кислорода в окислении разных субстратов. Полное и неполное окисление субстрата. Роль цикла трикарбоновых кислот. Характеристика важнейших микроорганизмов, осуществляющих аэробное окисление белков, углеводов, углеводородов и других многоуглеродных веществ. Метилотрофы. Окисление неорганических субстратов: восстановленных соединений серы, азота, железа, молекулярного водорода и др. Основные группы хемолитотрофных бактерий и архей. ^ Определение понятия «анаэробное дыхание». Доноры и акцепторы электронов, используемые разными микроорганизмами при анаэробном дыхании. Микроорганизмы, восстанавливающие нитраты и другие соединения азота (диссимиляционная нитратредукция и денитрификация). Сульфатвосстанавливающие и серувосстанавливающие бактерии (диссимиляционная сульфатредукция). Метаногены, их особенности. Образование метана из углекислоты и других соединений. Ацетогены. Фотосинтез. Особенности фотосинтеза у прокариот. Состав, организация и функции фотосинтетического аппарата разных микроорганизмов. Пигменты и их локализация. Доноры электронов. Электронно-транспортная цепь. Фотосинтез с выделением и без выделения кислорода. Использование световой энергии галобактериями. ^ Ассимиляция углекислоты автотрофными и гетеротрофными микроорганизмами. Рибулезобифосфатный цикл и другие пути усвоения углекислого газа автотрофами. Значение цикла трикарбоновых кислот и гликолатного шунта для биосинтетических процессов. Усвоение соединений азота. Ассимиляционная нитратредукция. Фиксация атмосферного азота. Свободноживущие и симбиотические азотфиксаторы. Синтез основных биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, липидов, углеводов. Вторичные метаболиты. ^ Гипотезы о происхождении жизни. Современные представления об эволюции биосферы. Теория симбиогенеза. Возможность существования жизни вне Земли. ^ Отношение микроорганизмов к температуре (психрофилы, мезофилы, термофилы и экстремальные термофилы). Действие высоких и низких температур на рост и выживание микроорганизмов. Гидростатическое давление. Устойчивость микроорганизмов к высушиванию, отношение к рН среды. Осмофилы, галофилы. Отношение к молекулярному кислороду — аэробные микроорганизмы, облигатные и факультативные анаэробы. Влияние лучистой энергии — солнечное излучение, искусственный УФ, ИК-излучение, ионизирующее излучение, радиоволны, ультразвук). Устойчивость микроорганизмов к перечисленным факторам. Влияние химических веществ органической и неорганической природы на микроорганизмы. ^ 1) Биогеохимическая деятельность микроорганизмов. Участие микроорганизмов в биогеохимических циклах соединений углерода, азота, серы и других элементов. Трофические связи в различных сообществах микроорганизмов. Значение микроорганизмов в геологических процессах: в формировании коры, выветривании, выщелачивание горных пород, рудообразовании. Условия обитания микроорганизмов в почве. Гумусообразование. Почвенные сообщества микроорганизмов. Роль микроорганизмов в формировании состава природных вод. Водные сообщества микроорганизмов. Самоочищение водотоков. Участие микроорганизмов в формировании состава атмосферы, роль микроорганизмов в возникновении парниковых газов. ^ Взаимосвязь микроорганизмов с растениями Ризосфера. Микориза. Клубеньковые бактерии — симбионты бобовых. Роль актиномицетов. Симбиоз, ассоциации с фототрофами. Фикобионты у лишайников. Эпифитная микофлора растений. Агробактерии- внутриклеточные паразиты. Фитопатогенные микроорганизмы. Взаимосвязь микроорганизмов с животными. Микроорганизмы — симбионты губок, червей, моллюсков, погонофор, рыб и других морских животных. Участие микроорганизмов в борьбе с вредителями сельскохозяйственных растений. Микрофлора кишечного тракта жвачных животных в связи с особенностями их питания. Нормальная микрофлора человека. Значение микрофлоры в жизни человека. Дисбактериоз и его предупреждение. Патогенные микроорганизмы и иммунитет. Возбудители возвратного тифа, холеры, брюшного тифа, туберкулеза. Стафилококковые инфекции. Паразитические формы микоплазм — возбудителей острых респираторных заболеваний и пневмонии. Микроорганизмы — продуценты антибиотиков, других лекарственных веществ. Вирусы — возбудители заболеваний человека, растений, животных и насекомых. Бактериофаги. Вирусные инфекционные заболевания: СПИД и др. ^ В ходе изучения настоящего курса студент слушает лекции, посещает практические и лабораторные занятия. Особое место отводится самостоятельной работе, которая включает освоение таких разделов программы, как «Введение», «История возникновения и развития микробиологии», «Методы микробиологии», а также подготовку рефератов на основе изучения основной и дополнительной литературы по предмету. Специфика настоящей учебной дисциплины обусловлена изучением молекулярных основ микромира клетки, что обусловливает необходимость использования в лабораторных и практических занятиях. В связи с этим студент должен знать основы безопасной работы с микробиологическими объектами, приборным оснащением, строго соблюдать правила безопасной работы при проведении лабораторных и практических работ. Курс «Микробиологии» для студентов завершается экзаменом. К зэкзамену студент должен представить реферат на основе изучения основной и дополнительной литературы по предмету. Обязательным условием допуска студента к зачету является выполнение отчетов о проведенных лабораторных занятиях. Перечень и тематика самостоятельных работ студентов по курсу включает освоение разделов программы «Введение. История возникновения и развития микробиологии», «Иммунитет и инфекционные заболевания», а также подготовку рефератов на основе изучения основной и дополнительной литературы по предмету. Самостоятельное выполнение практических заданий должно осуществляться студентом в тесной связи с формой обучения и теоретическим программным материалом в соответствии с нормами времени на самостоятельную работу, содержать конкретность и ясность формулировок. ^ Техническое и программное обеспечение дисциплины включает мультимедийную технику для наглядного представления материала, специфическое молекулярно-биологическое лабораторное оснащение учебного процесса (ламинарный бокс, автоклав, сушильным шкаф, вытяжный шкаф, аналитические весы, световая площадка, термостат). Обзор рекомендованной литературы: - Основная литература:
- Дополнительная литеартура
Глоссарий Азотофиксация. Первый этап в круговороте азота осуществляется исключительно азотофиксирующими микроорганизмами. Аммонификация. Отщепление аминогруппы от аминокислоты с выделением свободного аммиака в процессе дезаминирования. Брожение. Анаэробный ферментативный окислительно-восстановительный процесс превращения органических веществ, посредством которого микроорганизмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности. Подвергаться сбраживанию могут различные органические химические соединения: углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты, пурины, пиримидины и т.д. Вирусы (от лат. virus – яд) – это внеклеточная форма жизни, обладающая собственным геномом и способная к воспроизведению только в клетках живых организмов. Вирусы проникают в растительные, животные ткани, бактерии (вирусы бактерий называют бактериофагами). Вирусы являются внутриклеточными паразитами на генетическом уровне и используют для своего размножения белоксинтезирующий аппарат клетки-хозяина. Вискозитаксис. Реакция бактерий на изменение вязкости раствора, при этом они способны плыть в направлении ее увеличения или снижения. Денитрификация. Процесс восстановления нитратов до нитритов и далее до какой-либо из газообразных форм азота (окиси азота, закиси азота и молекулярного азота). Иммунитет (от лат. immunitas – освобождение, избавление от чего-либо) – способ защиты организма от всех чужеродных веществ как экзогенной, так и эндогенной природы. Биологический смысл данной защиты заключается в обеспечении генетической целостности особей в течение их индивидуальной жизни. Капсула. Слизистое образование, обволакивающее клетку, сохраняющее связь с клеточной стенкой и имеющее аморфное строение. ^ Популяция генетически родственных клеток, полученная неполовым путем из одной родительской клетки. Конъюгация. Прямой перенос фрагментов ДНК от донорских клеток к реципиентам при непосредственном контакте этих клеток. Магнитотаксис. Способность перемещаться по силовым линиям магнитного поля Земли или магнита. В клетках этих бактерий имеются непрозрачные частицы геометрической формы – магнитосомы, заполненные железом в форме магнетита (Fe3O4) и выполняющие функцию магнитной стрелки. В северном полушарии такие бактерии плывут в направлении Северного полюса, а в южном – в направлении Южного. Аэротаксис связан с разницей в среде кислорода, а термотаксис – с разницей температур. Метаболизм (от греч. metabole – изменение, перемена) – совокупность всех химических превращений, происходящих в клетке. Метаболизм складывается из двух потоков реакций: катаболизма (энергетического обмена) и анаболизма (конструктивного обмена). Катаболизм (диссимиляция, энергетический метаболизм) – это поток реакций, сопровождающийся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую (∆µН +) или химическую (АТФ) форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах. Анаболизм (ассимиляция, конструктивный метаболизм) – это поток реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток, процесс связан с потреблением свободной энергии. Микробиология (от греч. micros – малый, bios – жизнь, logos – наука) – наука о мельчайших, невидимых невооруженным глазом организмах. Микробиология изучает морфологию, физиологию, генетику, систематику, экологию микроорганизмов и взаимоотношения их с другими существами. Нитрификация. В процессе нитрификации образуются окисленные формы азотистых соединений. Патогенность (от греч. pathos – болезнь + genos – рождение) означает способность микроорганизмов вызывать заболевание. Плазмиды. Двуцепочечные кольцевые молекулы ДНК, размером 0,1 до 5% размера хромосомы, несущие гены, необязательные для клетки-хозяина, или гены, необходимые только в определенной среде. IS-элементы (от англ. insertion sequences – последовательности-вставки) – это сегменты ДНК, способные перемещаться как целое из одного участка локализации в другой. IS-элементы содержат лишь те гены, которые необходимы для их собственного перемещения – транспозиции Прокариоты (от. греч. pro – перед, karion – ядро), древнейшие организмы, не обладающие четко оформленное ядро с оболочкой, к ним относят бактерии и археи. Трансдукция. Перенос генов от одной бактериальной клетки к другой посредством бактериофага. Трансдуцирующий бактериофаг обычно переносит небольшой фрагмент ДНК хозяина от клетки-донора к клетке-реципиент. Транспозонами (Tn-элементы) называют сегменты ДНК, обладающие теми же свойствами, что и IS-элементы, но содержащие также гены, не имеющие непосредственного отношения к транспозиции (гены устойчивости к антибиотикам, гены токсинов или гены дополнительных ферментов клеточного метаболизма). Трансформация. Генетическое изменение клеток в результате включения в их геном экзогенной ДНК. Погибшие клетки постоянно высвобождают ДНК, которая может быть воспринята бактериями (как правило, любая чужеродная ДНК, попадающая в бактериальную клетку, расщепляется эндонуклеазами, но при некоторых условиях такая ДНК может быть включена в геном бактерии). Фимбрии (от лат. fimbria – бахрома) – ворсинки общего типа, обеспечивающие прикрепление бактерий к субстратам, участвующие в транспорте метаболитов. F-пили (от англ. fertility – плодовитость + лат.pilus – волосок) – половые пили, представляют собой белковые цилиндры, внутри которых имеется канал, через который передается генетический материал от одной клетки к другой при конъюгации бактерий. Фототаксис Движение к свету или от него, характерен прежде всего для фототрофных бактерий. Фотосинтез (греч. фотос – свет; синтез – соединение, сочетание, составление) – синтез органических веществ за счет энергии солнечного света. В отличие от растений, только часть бактерий способна к фотосинтезу. У бактерий известны два типа фотосинтеза. Цианобактерии и прохлорофиты осуществляют оксигенный фотосинтез (с выделением кислорода), у пурпурных, зеленых и гелиобактерий фотосинтез идет без выделения кислорода – аноксигенный фотосинтез. Хемотаксис. Движение бактерий в определенном направлении относительно источника химического вещества. Среди химических соединений есть инертные, которые не влияют на движение бактерий и существуют вещества-эффекторы, определяющие таксисы бактерий. Среди них выделяют аттрактанты (сахара, аминокислоты, витамины), которые привлекают бактерии и репелленты (спирты, фенолы) – отпугивающие вещества. Штаммом (от нем. stamen , происходить) называют культуру микроорганизмов, выделенную из определенного места обитания (почвы, воды, организма животного и т.д.). Эукариоты (от. греч. eu – истинный, karion – ядро), организмы, имеющие четко оформленное ядро с кариомембранной, к ним принадлежат грибы, водоросли и простейшие ^ 1. Цели и задачи дисциплины Целью курса: сформировать у студентов представление о мельчайших, невидимых невооруженным взглядом организмах. Основные задачи курса – рассмотреть и усвоить:
Программой курса предусмотрено чтение лекций, проведение лабораторных и практических занятий, а также самостоятельная работа студентов. ^ В результате изучения настоящего курса студент должен знать:
Студент должен уметь: ставить задачи в ходе проведения практических занятий, пользоваться дополнительной литературой при подготовке реферативных работ, приобрести навыки лабораторных манипуляций с микроорганизмами (приготовление питательных сред, приготовление мазков, окрашивание микроорганизмов), уметь формулировать заключения и выводы. ^
^ РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ ЗАНЯТИЙ
^
|
плохо
1хорошо
1отлично
4 