Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Полимеразная цепная реакция.




ПЦР - это метод, который позволяет найти в исследуемом клиническом материале небольшой участок генетической информации любого организма среди огромного количества других участков и многократно размножить его. Метод ПЦР основан на принципе естественной репликации ДНК. Включающем расплетение двойной спирали ДНК, расхождение нитей ДНК и комплиментарное дополнение обеих. Репликация ДНК может начаться не в любой точке, а только в определенных стартовых блоках - коротких двунитевых участках. Суть метода заключается в том, что маркировав такими блоками специфический только для данного вида (но не для других видов) участок ДНК, можно многократно воспроизвести (амплифицировать) именно этот участок.

Микрочипы.

Наиболее широкое применение нашли микрочипы, изготовленные на твердой поверхности. В качестве подложки используют стекло, пластик, металл, мембрана и т.п. На этой подложке могут быть иммобилизованы различные биологические макромолекулы, в первую очередь ДНК, а также РНК или белки. По устоявшейся терминологии, иммобилизуемые молекулы принято называть зондами, а те молекулы, которые находятся в исследуемом образце и подвергаются анализу, – мишенями. Как правило, зонды наносят на поверхность микрочипа в определенной последовательности; таким образом, микрочип представляет собой упорядоченную матрицу, в которой каждый элемент заранее задан и определен. В процессе гибридизации происходит специфическое взаимодействие молекул-зондов и молекулы-мишени по принципу комплементарности, а для того чтобы выявлять стабильные гибридизационные структуры и определить, с каким зондом произошло взаимодействие, молекулы-мишени предварительно метят флюоресцентным красителем. Таким образом, картина гибридизации представляет собой картину распределения флюоресцентных сигналов, наиболее ярких в точках специфического связывания зонда и мишени.

Круговорот углерода в мире микроорганизмов. Зависимость судьбы углерода от наличия кислорода в окружающей среде. Полное и неполные окисления. Автотрофы и гетеротрофы. Метаногены, метилотрофы

Взаимосвязь живых организмов на Земле особенно ярко выражена в круговороте углерода. Атмосферный воздух содержит около 0,03% С02, но продуктивность зеленых растений настолько велика, что весь запас углекислоты в атмосфере был бы истрачен за 20 лет. Фотосинтез бы прекратился, если бы микроорганизмы, растения и животные не обеспечивали возвращение С02 в атмосферу в результате непрерывной минерализации органических веществ. Циклические превращения углерода и кислорода реализуются главным образом через два разнонаправленных процесса: кислородный фотосинтез и дыхание (либо горение в небиологических реакциях).

• При кислородном фотосинтезе аэробные цианобактерии и зелёные растения основную часть окисленной формы углерода (СО2) переводят в восстановленное состояние, характерное для органических соединений (например, глюкозу), а восстановленную форму кислорода (Н2О) окисляют до О2. Хотя анаэробные пурпурные и зелёные бактерии могут восстанавливать С02 до органических веществ, окисляя соединения: NH3, NO2, Н2, Fe2+, восстановленные соединения серы, вклад этих процессов в общую фиксацию СО2, незначителен. В результате фотосинтетической фиксации СО2 образуются сахара и другие соединения. Основная масса фиксированного углерода растений откладывается в виде полимерных углеводов (крахмал, целлюлоза). Поэтому сахара играют ведущую роль в питании всех живых организмов, нуждающихся в органической пище (организмы-гетеротрофы), и служат предпочтительными питательными веществами для большинства гетеротрофных микроорганизмов.

• В присутствии кислорода полное окисление органических веществ до СО2 осуществляют многие аэробные (псевдомонады, бациллы) и факультативно анаэробные (актиномицеты) бактерии, грибы, а также животные. В качестве примеров неполного окисления можно привести окисление сахаров уксуснокислыми бактериями (Acetobacter, Gluconobacter) с образованием ацетата, образование лактата грибами порядка Mucorales (Rhizopus oryzae, R. nigricans и др.), образование глюконовой кислоты аспергиллами и пенициллами.

В анаэробных условиях органические соединения расщепляются путём брожения (дрожжи, молочнокислые бактерии, пропионовокислые бактерии, бактерии семейства Enterobacteriaceae), либо окисляются в процессе анаэробного дыхания при наличии акцепторов водорода. В роли акцепторов водорода выступают нитраты, сульфаты, карбонаты, фумараты, Fe3+: соответственно выделяют денитрифицирующие (виды родов Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus и Micrococcus), сульфатредуцирующие (виды рода Desulfotomaculum, Desulfovibrio, Desulfobacter, De–sulfococcus, Desulfosarcina, Desulfonema), метанобразующие бактериями. Метанобразующие бактерии (Methanobacterium, Melhanococcus, Methanosarcina) — строгие анаэробы, составляющие последнее звено анаэробной пищевой цепи. Выделяемый ими метан в аэробных условиях может окислятся до С02 метилотрофными бактериями (Methylomonas, Methytosinus, Melhylococcus).

Метилотрофы

Среди прокариотных и эукариотных микроорганизмов довольно широко распространена способность использовать для роста многие соединения, содержащие один атом углерода, более восстановленные, чем CO2 (CO, метан (CH4), метанол (CH3OH), формальдегид (HCOH), муравьиная кислота (HCOOH), метиламин (CH3NH2), хлорметан (CH3Cl), цианистый калий (KCN)), а также соединения, содержащие больше одного углеродного атома, но не имеющие С-С-связей (ди- и триметиламины [(CH3)2NH, (CH3)2N], диметилсульфид [(CH3)2S], метилформиат (CH3COOH) и др). В большинстве из них углерод представлен в виде метильной группы, поэтому микроорганизмы, использующие эти соединения, получили название метилотрофов.

Использовать C1-соединения могут многие аэробные и анаэробные прокариоты. Среди анаэробов такой способностью обладают, например, сульфатвосстанавливающие эубактерии, метанобразующие архебактерии, многие типичные хемо- и фототрофные эубактерии. К метилотрофам относят облигатно аэробные эубактерии, обладающие способностью использовать в качестве единственного источника углерода и энергии одноуглеродные соединения. Это различные грамположительные и грамотрицательные формы — представители Pseudomonas, Bacillus, Hyphomicrobium, Protaminobacter, Arthrobacter, Nocardia и др.

В отношении способа питания различают две основные группы метилотрофов: факультативные и облигатные. Факультативные метилотрофы наряду с одноуглеродными могут использовать и некоторые полиуглеродные соединения. Группа облигатных метилотрофов включает эубактерии, использующие только одноуглеродные соединения.

В IX издании Определителя бактерий Берги облигатные и факультативные метилотрофы выделены в семейство Methylococcaceae, включающее роды Methylococcus и Methylomonas. Основной признак — способность использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии в аэробных или микроаэробных условиях.

Метилотрофы, отнесенные к семейству Methylococcaceae, грамотрицательные эубактерии с разной морфологией и размерами клеток, подвижные или неподвижные. Некоторые штаммы образуют цисты. Характерной особенностью при росте на метане является наличие в клетке развитой системы внутрицитоплазматических мембран, которые могут быть разделены на два типа: внутрицитоплазматические мембраны I типа представлены стопками плотно упакованных везикулярных дисков, распределенных по всей цитоплазме; внутрицитоплазматические мембраны II типа имеют вид ламелл, расположенных по периферии клетки.

Помимо метана в качестве единственного источника углерода и энергии облигатные метилотрофы могут использовать метанол, формальдегид и другие C1-соединения, а факультативные — также C2-, C4-кислоты, этанол, глюкозу. Использование метилотрофами C1-соединений в конструктивном и энергетическом метаболизме привело к формированию у них специфических путей ассимиляции и диссимиляции этих соединений.

Процесс полного окисления метана может быть представлен в виде следующей схемы.

Первый этап — окисление метана до метанола катализируется метанмонооксигеназой в реакции:

CH4 + O2 + H2A = CH3OH + A + H2O.

где O2 — молекулярный кислород, а H2A — восстановитель.

Описаны две формы метанмонооксигеназы: связанная с внутрицитоплазматическими мембранами и растворимая. Донором электронов для первой предположительно может быть восстановленный цитохром с или НАД-H2, образующийся в результате обратного электронного транспорта, для второй — только НАД(Ф)-H2 или соединения, которые окисляются с его образованием. Остальные этапы окисления катализируются соответствующими дегидрогеназами, различающимися строением, природой акцепторов электронов и другими параметрами.

Окисление метана и связь энергетического и конструктивного метаболизма у метилотрофов: Ф1 — метанмонооксигеназа; Ф2 — метанолдегидрогеназа; Ф3— формальдегиддегидрогеназа; Ф4 — формиатдегидрогеназа; ассимиляционные циклы: 1 — рибулозомонофосфатный, 2 — сериновый, 3 — восстановительный пентозофосфатный

 

Формальдегид у метилотрофов является ключевым метаболитом, на уровне которого расходятся конструктивные и энергетические пути. Часть формальдегида превращается в вещества клетки по специфическим для этих эубактерий ассимиляционным циклическим путям, большая часть окисляется до CO2 в линейной последовательности реакций через формиат.

Дыхательные цепи метилотрофов по составу переносчиков и их локализации на мембране похожи на таковые большинства аэробных эубактерий, что предполагает возможность функционирования у них трех пунктов сопряжения. В окислительном метаболизме C1-соединений участвуют НАД, флавины, хиноны, цитохромы типа b, c, a, o.

Окисление метанола до формальдегида, катализируемое ферментом, содержащим в качестве простетической группы особый хинон, сопровождается передачей электронов в дыхательную цепь на уровне цитохрома c. Это приводит к синтезу одной молекулы АТФ, т. е. указывает на функционирование только третьего пункта сопряжения.

Окисление формальдегида и формиата, зависимое от НАД, позволяет предполагать, что перенос пары электронов может быть связан с тремя трансмембранными перемещениями протонов. Полученные экспериментальные данные указывают, однако, на меньшие выходы АТФ. Вопрос о том, на каком уровне передаются электроны от формальдегида и формиата в дыхательную цепь, не вполне ясен.

У метилотрофов функционируют циклические пути ассимиляции C1-соединений, ответственные за превращения их в вещества клетки: восстановительный пентозофосфатный, рибулозомонофосфатный и сериновый. В восстановительном пентозофосфатном цикле происходит ассимиляция CO2, образующейся при окислении C1-соединений. У метилотрофов этот путь не имеет широкого распространения и обнаружен только у представителей, способных расти автотрофно, а также у тех, кто может использовать формиат.

В рибулозомонофосфатном и сериновом циклах обеспечивается использование в биосинтетических процессах формальдегида, образуемого при окислении разных C1-соединений. Первая реакция рибулозомонофосфатного пути — акцептирование формальдегида молекулой рибулозо-5-фосфата, приводящее к образованию гексулозо-6-фосфата, который изомеризуется затем во фруктозо-6-фосфат. Ферменты, катализирующие обе реакции, специфичны для данного цикла. Далее возможны разные варианты. По одному из них фруктозо-6-фосфат подвергается фосфорилированию. Образовавшийся фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на две триозы: 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. 3-ФГА и фруктозо-6-фосфат участвуют в серии реакций, приводящих к регенерации акцептора формальдегида — рибулозо-5-фосфата. Эти реакции аналогичны таковым восстановительного пентозофосфатного цикла. Три оборота рибулозомонофосфатного цикла приводят к синтезу молекулы фосфодиоксиацетона, используемого в биосинтетических процессах.

Сериновый цикл существенно отличается от предыдущего пути ассимиляции формальдегида природой интермедиатов и ферментами. Ключевая реакция этого пути — конденсация формальдегида и глицина в присутствии тетрагидрофолиевой кислоты, приводящая к образованию серина. Последний в реакции трансаминирования превращается в оксипировиноградную кислоту, последовательное восстановление и фосфорилирование которой приводит к образованию 3-ФГК. Одна часть 3-ФГК используется для синтеза вещества клетки, другая превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту. Последующее карбоксилирование ФЕП приводит к синтезу молекулы щавелевоуксусной кислоты. Эта реакция примечательна тем, что в сериновый цикл вовлекается CO2. Последующая серия реакций приводит к регенерированию глицина, и цикл замыкается.

Ассимиляция формальдегида через рибулозомонофосфатный цикл характерна для метилотрофов, имеющих мембранную организацию I типа, а через сериновый — для метилотрофов с системой внутрицитоплазматических мембран II типа.

Рис. 100. Пути ассимиляции формальдегида метилотрофами. А — рибулозомонофосфатный цикл: Ф1 — гексулозофосфатсинтаза; Ф2 — фосфогексулозоизомераза; Ф3— фосфофруктокиназа; Ф4 — фруктозодифосфатальдолаза; прерывистой линией обозначены реакции регенерации рибулозо-5-фосфата, аналогичные соответствующим реакциям, изображенным на рис. 77. Б — сериновый цикл: Ф1 — сериноксиметилтрансфераза; Ф2 — серинглиоксилатаминотрансфераза; Ф3 — оксипируватредуктаза; Ф4 — глицераткиназа; Ф5 — енолаза; Ф6 — ФЕП-карбоксилаза; Ф7 — малатдегидрогеназа; Ф8 — малаттиокиназа; Ф9 — малил-КоА-лиаза

ЦТК в системе катаболических путей не занимает ведущего места. У ряда облигатных метилотрофов он не "замкнут". Если даже содержит все ферменты, активность некоторых из них невысока.

Изучение этой специфической группы эубактерий привело к заключению о ее близости к автотрофам. Это проявляется как в способности метилотрофов синтезировать все вещества клетки из С1-соединений, так и функционированию развитого у них механизма ассимиляции CO2 в восстановительном пентозофосфатном цикле.

Метилотрофы — обитатели водоемов и почв различного типа, где идут процессы с образованием одноуглеродных соединений. Их выделяют из сточных вод, с гниющих растительных остатков, из рубца жвачных животных. Интерес к изучению метилотрофов связан не только с особенностями их метаболизма, но и с перспективами их практического использования: метилотрофы характеризуются активным ростом, высокими выходами биомассы, большим содержанием полноценного белка в клетке; являются эффективными продуцентами различных веществ. В биосфере метан и другие С1-соединения поддерживаются на постоянном уровне главным образом за счет деятельности метилотрофов.

Метаногены.

Это морфологически разнообразная группа (кокки, палочки, сарцины, некоторые способны формировать нити или пакеты и др. Клетки неподвижные или передвигающиеся с помощью перитрихиально или полярно расположенных жгутиков), объединяемая 2-мя общ.признаками: облигатным анаэробиозом и способностью образовывать метан. В IX издании Определителя бактерий Берги группа разделена на 3 порядка: Methanobacteriales, Methanococcales, Мethanomicrobiales. У представителей рода Methanosarcina в клетках найдены газовые вакуоли. Для некоторых характерна развитая система внутриклеточных элементарных мембран, являющихся результатом разрастания и впячивания в цитоплазму ЦПМ и сохраняющих с ней связь. У этой группы архебактерий обнаружены клет.стенки 3-х типов: из псевдомуреина, из белковых глобул и гетерополисахаридной природы. Описан микоплазмоподобный метаноген, выделенный в род Methanoplasma, не имеющий кл.стенки.

Метаногены – строгие анаэробы. Рост нек.видов полностью подавляется при наличии молекулярного O2. Описаны виды с низкой чувствительностью к O2 - в их клетках найдена супероксиддисмутаза.

Большинство имеет температурный оптимум для роста=30-40◦С, т.е. являются мезофилами. Но есть виды, у к-ых опт.зона сдвинута в сторону более низких темп.25◦С или высоких – 55-65◦С. Есть и термофилы: Methanothermus fervidus,растущий при 55-97◦С.

Все метаногены – нейтрофилы с оптимал. рН=6,5-7,5. Встречаются галлофилы (для роста нужен NaCl).

Универсал.источником С и Е для них является газовая смесь Н2 и СО2. Следующими по распространению служат формиат, ацетат, метанол, метиламины и CO. В качестве ист. N используют аммонийный азот или нек.аминокислоты. Ист. S - сульфаты, сульфид и серосодержащие аминокислоты.

Коструктивный метаболизм. Е получают, осуществляя реакцию:

2 + СО2 =2Н2О + СН4

СО2 не только единственный источник С, но и конеч.акцептор е при окислении водорода.

Фиксация СО2 происходит по нециклическому ацетил-КоА-пути, где ключевым промежуточным соединением явл-ся ацетил-КоА, далее по схеме:

 

Биосинтез метана. Восстановление CO2 до CH4 требует переноса 8 электронов. Образующиеся на этом пути промежуточные продукты находятся не в свободном состоянии, а остаются связанными с переносчиками. Согласно предложенной модели на первом этапе CO2 связывается с переносчиком углерода, образуя карбоксипроизводное (X1-COOH), которое восстанавливается до формилпроизводного (X1-CHO). Второй этап метаногенеза включает перенос формильной группы на другой переносчик (Х2), который проводит C1-группу через две последовательные восстановительные реакции, приводящие к образованию метилпроизводного (X2-CH3). На уровне образования метиленпроизводного (X2-CH2) в процесс метаногенеза включается экзогенный формальдегид. Соединения, содержащие метильные группы (CH3OH, CH3COOH, CH3NH2 и другие метиламины), подключаются на уровне метилпроизводного. В этой же точке происходит разветвление анаболических и катаболических путей. На третьем конечном этапе метаногенеза, наиболее изученном, метильные группы с переносчика поступают на кофермент М (КоМ-SH). Образуется метил-КоМ. Далее следует его восстановление, сопровождающееся распадом комплекса и выделением CH4. Обе реакции катализируются метилредуктазной системой, представляющей сложный мультиферментный комплекс, в состав которого помимо фермента входят кофермент М, фактор F430. Для активности системы необходимы АТФ, ионы Mg2+ и еще не идентифицированные кофакторы.

Место обитания: анаэробная зона разных водоемов, богатых орг.веществами, в иловых отложениях рек и озер, в болотах, заболоченных почвах, в осадочных слоях морей и океанов. Также обитатели пищевар.тракта животных и человека, важный компонент микрофлоры рубца жвачных животных. Метаногены обеспечивают протекание в природе анаэробного разложения орг.соединений, в 1 очередь – целлюлозы. Метаногены также представляют практический интерес как продуценты витамина В12 и газообразного топлива – метана.






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных