Мікробіологія_програма_для_студентів
.pdfМІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара Факультет біології, екології та медицини
Кафедра мікробіології, вірусології та біотехнології
Мікробіологія
(назва навчальної дисципліни)
ПРОГРАМА
нормативної навчальної дисципліни підготовки ______бакалаврів ___________
(назва освітньо-кваліфікаційного рівня)
напряму ______6.040102 Біологія________
(шифр і назва напряму)
спеціальності__________________________
(шифр і назва спеціальності)
(Шифр за ОПП ЗП 1.3.15)
Електронна версія на сайтах:
http://vk.com/micr_vir_dnu http://vk.com/club105363856 microbio.ucoz.ru
Дніпропетровськ
2015 рік
2
Програма навчальної дисципліни
Змістовий модуль 1. Предмет і задачі мікробіологічної науки, основні етапи її розвитку.
Тема 1. Предмет та завдання мікробіології, її місце і роль у сучасній біології. Історія розвитку мікробіології
Загальна характеристика світу мікроорганізмів, його різноманітності, структури та функцій. Використання в мікробіології особливих методів дослідження у процесі вивчення закономірностей життя та розвитку мікроорганізмів, а також змін, які вони викликають у організмі тварин, рослин та у неживій природі. Залежність розвитку мікробіології від потреб практики, загального прогресу науки та техніки.
Відкриття мікроорганізмів А. ван Левенгуком, значення робіт Л. Пастера для з’ясування ролі мікроорганізмів у природі, причини виникнення інфекційних захворювань. Роботи Р. Коха та їх значення для розвитку техніки мікробіологічних досліджень і медичної мікробіології. Розвиток екологічного напрямку в мікробіології С.Н. Виноградським та М. Бейєрінком, ствердження різноманітності форм життя в мікросвіті. Значення робіт А. Клюйвера та К. ван Ніля для доказу біохімічної єдності життя. Розвиток вітчизняної мікробіології (роботи Л.С. Ценковського, І.І. Мечникова, Д.І. Івановського, Д.К. Заболотного, Л.В. Омелянського та ін.).
Диференціація мікробіології відповідно до практичних потреб людини (загальна, сільськогосподарська, промислова, ветеринарна, медична) та характеристика її завдань.
Головні напрямки розвитку сучасної мікробіології: досягнення в області молекулярної будови мікроорганізмів, характер зв’язку між структурою та функцією, значення досліджень із генетики та біохімії бактерій і вірусів. Внесок мікробіології у вирішення найважливіших проблем загальної біології, розвиток молекулярної біології. Використання досягнень мікробіології в народному господарстві та медицині. Завдання мікробіології на сучасному етапі.
Змістовий модуль 2. Морфологія, структура та систематика мікроорганізмів.
Тема 2. Загальна характеристика світу мікроорганізмів Основні групи живого світу та їх ознаки, типи клітинної організації. Світ
мікроорганізмів, загальні ознаки та різноманітність. Розміри мікроорганізмів. Місце мікроорганізмів в системі живого світу; проблема первинного розподілу організмів, концепція протистів.
Досягнення електронної мікроскопії у вивченні тонкої архітектоніки клітини. Істотні відмінності в організації двох типів клітин: еукаріотичної та прокаріотичної. Первинний розподіл мікроорганізмів, прийнятий у наш час: еукаріотичні (водорості, найпростіші, гриби) та прокаріотичні (бактерії, ціанобактерії). Виділення в самостійну групу архебактерій, які мають примітивний тип будови клітини (метаноутворюючих, галофільних та термоацидофільних). Віруси як неклітинна форма життя. Основні відмінності вірусів від клітинних організмів: особливості структури, хімічного складу та способу розмноження. Філогенетичні зв’язки між різними групами мікроорганізмів.
Тема 3. Структура еукаріотичної клітини, характеритстика водоростей, найпростіших та грибів
Значення сучасних методів мікроскопії, дезінтеграції, біохімічних методів, авторадіографії у визначенні тонкої структури клітини.
Основні ознаки еукаріотичної клітини: оформлене ядро, хромосоми, наявність ендоплазматичного ретикулуму, вакуоль, саморепродукуючих пластид. Концепція симбіотичного походження пластид від прокаріотів. Поверхневі шари еукаріотичних
3
мікроорганізмів (ліпопротеїнова мембрана, поверхева клітинна стінка, до складу якої входять полісахариди або неорганічні субстанції), органели руху. Біологічні особливості протистів. Труднощі розподілу водоростей та найпростіших, а також найпростіших і грибів, обумовлені наявністю проміжних форм. Водорості – організми, що містять хлорофіл, різноманітність морфологічних форм. Одноклітинні, ниткові, колоніальні або ценоцитні; деякі – багатоклітинні, без явної диференціації. Найпростіші та гриби – нефотосинтезуючі організми. Найпростіші – одноклітинні. Класифікація найпростіших: джгутикові, амебоїдні, споровики, інфузорії. Концепція про походження найпростіших від деяких водоростей у результаті втрати хлоропластів.
Загальна характеристика грибів. Біологічна організація як пристогсування до життя у найбільш звичному для них середовищі – ґрунті. Будова вегетативного тіла грибів, міцеліальні форми грибів, дріжджі. Ріст та різні способи розмноження. Класифікація грибів: фікоміцети, аскоміцети, базидіоміцети. Основні відмінності між фікоміцетами та вищими грибами. Характеристика аскоміцетів та базидіоміцетів. Дріжджі: особливості їх морфології та розмноження. Практичне використання цвілевих та дріжджових грибів.
Тема 4. Структура прокаріотичної клітини Загальна характеристика прокаріотів. Різноманітність морфологічних форм,
варіація розмірів, особливості метаболізму.
Організація та функції прокаріотичної клітини. Розпізнання та цитологічне виявлення бактеріальних ядер. Ядерний апарат (нуклеоїд) бактерій та особливості його організації, бактеріальна хромосома, плазміди.
Цитоплазма й органели прокаріотів: мезосоми, їх походження та функції, фотосинтетичні мембранні структури (хроматофори, тилакоїди), аеросоми тощо. Бактеріальні рибосоми. Включення, їх склад і значення в різних бактеріях.Гени прокаріотів, їх побудова і функції.
Загальна характеристика геному прокаріотів: кільцевидна форма хромосоми, гаплоїдний набір генів, кількісні характеристики (довжина хромосоми, кількість генів, нуклеотидів тощо), форми хромосоми в залежності від функціонування клітини (лінейна, кільцевидна, суперспіралізована), моделі компактного укладення хромосоми, сопряжіння процесів транскрипції та трансляції.
Тема 5. Будова, хімічний склад та функції поверхневих структур прокаріотів Цитоплазматична мембрана, її локалізація та способи виявлення. Хімічний склад
мембран: вміст фосфоліпідів, нейтральних ліпідів та білків. Структурна організація мембран: модель Даніеля-Доусона, сучасні уявлення. Основні функції бактеріальної мембрани: забезпечує селективну проникність і транспортування розчинних речовин (роль пермеаз у здійсненні активного транспортування речовин у полегшеній дифузії); є місцем локалізації ферментів дихання, фотосинтетичного апарату, АТФ-ази (як аналогу спеціалізованих органел еукаріотичних клітин: мітохондрій і хлоропластів); виконує функції біосинтезу фосфоліпідного комплексу компонентів клітинної стінки, в окремих місцях (у мезосомах) локалізовані білки комплексу реплікації ДНК.
Бактеріальна клітинна стінка, пептидоглікан, його специфічність для прокаріотів та універсальність розповсюдження серед них (виняток – мікоплазми та галобактерії).
Основні компоненти пептидоглікану: N-ацетилглюкозамін, N-ацетилмурамова кислота, амінокислоти. Структура пептидоглікану, її особливості у грампозитивних (Гр+) та грамнегативних (Гр–) бактеріях.
Функції пептидогліканового шару: визначення форми клітини, протидія тургорному тиску: L-форми, протопласти та сферопласти. Звיязок між будовою стінки та здатністю бактеріальної клітини до забарвлення за Грамом.
Особливий компонент клітинних стінок Гр+ бактерій – тейхоєві кислоти; їх будова
4
та функції. Склад і структура зовнішньої мембрани Гр– бактерій, основні функції. Капсули й слизові шари бактерій. Джгутики й пілі, їх кількість і місцезнаходження,
склад і молекулярна організація. Хемотаксис рухомих бактерій.
Основні відмінності будови поверхневих структур прокаріотів і еукаріотів. Тема 6. Систематика прокаріотів. Характеристика основних груп бактерій
Проблеми систематики прокаріотів, типи та мета класифікації. Труднощі створення філогенетичної системи, відображаючої родинні зв’язки між різними групами прокаріотів та історію їх еволюційного розвитку. Створення ключової класифікації для забезпечення можливості ідентифікації бактерій. Правила номенклатури та діагностики. Роль морфологічних, цитологічних, фізіолого-біохімічних та серологічних ознак для систематики. Молекулярні основи систематики та філогенії. “Визначник бактерій Бергі” (9-те видання). Первинний розподіл бактерій, заснований на природі пограничного шару клітини. Основні групи бактерій: мікоплазми, грампозитивні та грамнегативні, які відрізняються будовою клітинної стінки.
Коротка характеристика мікоплазм, їх відмінності від L-форм. Основні групи грампозитивних бактерій: 1) одноклітинні у формі кулі; паличкоподібні неспороутворюючі та споротутворюючі; 2) гіллясті форми – корінебактерії, нокардії та вищі актиноміцети, що утворюють стійкий міцелій та спеціальні спори.
Грамнегативні бактерії, їх структурна та функціональна різноманітність (хемоавтотрофи, хемоорганотрофи, фотосинтезуючі бактерії).
Особливості механізмів руху грамнегативних бактерій. Розподіл на групи бактерій залежно від способу пересування: ковзаючі (міксобактерії, цитофаги, ниткові), спірохети та вільноплаваючі еубактерії. Характеристика еубактерій, до яких належать прості вільно живучі еубактерії, різноманітні за формою, стеблові та брунькові, а також облігатні клітинні паразити – рикетсії та хламідії.
Еволюція хімічна, біохімічна, біологічна. Найбільш важливі гіпотези про виникнення прокаріотів і еукаріотів, значення ендосимбіозу, можлива послідовність виникнення основних фізіологічних груп.
Змістовий модуль 3. Фізіологія та біохімія мікроорганізмів Тема 7. Культивування мікроорганізмів та фізіологія росту
Виділення та культивування мікроорганізмів. Найважливіші фізичні та хімічні параметри культивування: джерела живлення, енергії, концентрація іонів водню (рН), температура, аерація. Загальна характеристика джерел енергії, вуглецю, донорів та акцепторів електронів, які використовуються прокаріотами. Різновидності способів життя прокаріотів та обґрунтування методичних прийомів, які використовуються в процесі культивування різних груп бактерій. Використання елективних та диференційних поживних середовищ. Поверхневе та глибинне вирощування. Закономірності росту популяцій. Крива росту, особливості окремих фаз. Визначення швидкості росту та часу генерації. Причини лімітації росту та вимирання. Підтримання клітин в експоненційній фазі. Значення методів безперервного культивування для характеристики бактерій.
Уявлення про індивідуальний розвиток. Клітинний цикл, утворення спеціалізованих клітин (спор, цист) у процесі індивідуального розвитку, особливості їх складу та будови. Основні безповоротні етапи утворення спор та їх проростання. Фізіологічний вік бактеріальних клітин
Тема 8. Дія фізичних та хімічних факторів Ріст і загибель мікроорганізмів, вплив фізичних і хімічних факторів на ці процеси.
Протимікробні речовини та характер їх дії. Поняття про бактеріостатичну, бактерицидну
5
та мутагенну дії. Можливі механізми дії протимікробних речовин: порушення функції цитоплазматичної мембрани, синтезу клітинної стінки, взаємодія з білками. Вплив фізичних факторів: уявлення про механізм дії екстремальних температур, висушення, радіації. Молекулярні основи дії рентгенівських, ультрафіолетових променів, видимого світла. Летальний і мутагенний ефекти. Значення репарації, фізіологічної адаптації та відбору стійких особин. Принципи та методи стерилізації та дезінфекції (стерилізація сухим жаром, паром під тиском, дробна стерилізація).
Тема 9. Живлення мікроорганізмів Поживні речовини, що використовуються як початкові матеріали для біосинтезу та
одержання енергії. Класифікація поживних речовин залежно від ролі, яку вони виконують у обміні речовин. Розподіл фототрофних та хемотрофних мікроорганізмів залежно від природи окиснюваного ними субстрату. Поняття про літотрофність та органотрофність. Потреба фотосинтезуючих бактерій у екзогенних неорганічних і органічних донорах електронів. Характеристика акцепторів водню та електронів (О2, неорганічні речовини, органічні сполуки). Висока специфічність хемолітотрофів відносно окиснюваних субстратів.
Джерела вуглецю, відносність поділу мікроорганізмів відповідно до типів живлення. Автотрофи – фотосинтезуючі та літотрофні бактерії. Гетеротрофи поряд із використанням різноманітних органічних джерел вуглецю потребують СО2. Джерела азоту: органічні та неорганічні сполуки, які асимілюють бактерії. Азотфіксація розповсюдження цієї властивості серед мікроорганізмів, значення. Джерела фосфору, сірки, інших елементів мінерального живлення. Потреба мікроорганізмів у додаткових факторах живлення (амінокислотах, вітамінах, азотистих основах). Поняття прототрофності та ауксотрофності.
Надходження в мікробну клітину поживних речовин. Функціональна роль цитоплазматичної мембрани. Механізми пасивної дифузії, активного транспорту, роль пермеаз у процесах перенесення розчинених речовин. Використання мікроорганізмами високомолекулярних та водонерозчинних речовин, роль гідролітичних ферментів, що містяться в периплазмі Гр– бактерій і виділяються в навколишнє середовище.
Тема 10. Загальна характеристика метаболізму мікробної клітини. Основні типи енергетичного обміну
Загальна характеристика метаболізму прокаріотів – катаболічний та анаболічний обміни. Поняття амфіболічного обміну. Центроболіти – ключові метаболіти, які виконують різноманітні функції. Принцип “біохімічної єдності”. Головні ознаки та особливості метаболізму мікроорганізмів. Основні групи ферментів та функціональні особливості бактеріальних ферментів. Центральна роль АТФ у енергетичних і конструктивних процесах мікробної клітини. Типи фосфорилювання: окиснювальне, субстратне та фотосинтетичне. Їх характеристика.
Способи здобуття енергії мікробною клітиною: шляхом використання енергії видимого світла, окиснення органічних сполук і мінеральних речовин. Розподіл мікроорганізмів залежно від способу одержання енергії: фототрофи, літотрофи та органотрофи. Їх характеристика.
Фотосинтетичні процеси в прокаріотів. Компоненти фотосинтезуючого апарату. Характеристика фотосинтетичних пігментів: бактеріохлорофілів, каротиноїдів та фікобіліпротеїдів. Донори електронів, які беруть участь у фотосинтезі. Основні відмінності фотосинтезу прокаріотів і зелених рослин. Основні групи фотосинтезуючих прокаріотів.
Методи вивчення метаболізму мікробної клітини: визначення ферментативної активності, інгібіторний аналіз, визначення кінетичних і термодинамічних констант,
6
ізотопні, методи аналітичної біохімії, використання біохімічних мутантів, спрямований мутагенез.
Тема 11. Енергетичні процеси у прокаріотів Загальна схема енергетичного обміну гетеротрофних мікроорганізмів. Основні
етапи перетворення білків, жирів і вуглеводів.
Характеристика центральних катаболічних процесів, з перебігом за схемою Ембдена-Мейєргофа-Парнаса, Варбурга-Діккенса-Хореккера та Ентнера-Дудорова. Значення пірувату як головного проміжного продукту окиснення вуглеводів. Визначення природи процесів бродіння та дихання. Кінцеві акцептори електронів. Енергетична ефективність дихання. Аеробне дихання. Цикл трикарбонових кислот, його особливості в мікроорганізмів. Будова ланцюга перенесення електронів. Окисновідновний потенціал і хімічна будова компонентів дихального ланцюга. Ферменти дихального ланцюга бактерій. Локалізація ланцюга перенесення електронів у клітині. Загальна схема дихального ланцюга бактерій. Неповне окиснення субстратів (оцтовокисле бродіння й аеробне розщеплення клітковини), продукти, які утворюються в результаті цього.
Анаеробне дихання. Визначення поняття анаеробного дихання. Донори та акцептори електронів, які використовуються різними мікроорганізмами у процесі анаеробного дихання. Мікроорганізми, які відновлюють нітрати та інші азотні сполуки. Нітратредуктаза. Сульфатредукуючі (сульфатвідновлюючі) бактерії. Їх характеристика. Окиснювальні субстрати.
Механізм утворення макроергічних сполук у дихальному ланцюзі. Суть окиснювального фосфорилювання.
Бродіння, його біологічна суть та відмінність від анаеробного дихання Тема 12. Бродіння. Типи. Застосування
Бродіння як спосіб одержання енергії. Визначення поняття бродіння. Енергетична оцінка бродіння порівняно з диханням. Класифікація бродіння. Роботи В.Н. Шапошникова. Катаболічні схеми основних типів бродіння: гексозодифосфатний та монофосфатний шляхи. Центральна роль піровиноградної кислоти. Двофазність бродіння.
Молочнокисле бродіння. Хімізм. Гомота гетероферментативне бродіння. Збудники процесу. Їх характеристика та поширення. Виробництво молочної кислоти. Метод В.Н. Шапошникова. Використання молочнокислого бродіння в харчовій промисловості та сільському господарстві.
Спиртове бродіння, хімізм. Збудники бродіння. Промислове виробництво етилового спирту.
Маслянокисле бродіння. Хімізм. Типи. Їх характеристика. Збудники маслянокислого бродіння – р. Clostridium; морфологія та фізіологія. Промислове виробництво масляної кислоти.
Ацетоно-бутилове бродіння. Його значення для народного господарства. Роботи В.Н. Шапошникова.
Тема 13. Конструктивний обмін мікроорганізмів Функціональне значення біосинтетичних процесів у клітині. Потреба різних груп
мікроорганізмів у вихідних речовинах для процесів анаболізму. Значення асиміляції неорганічних речовин для ряду мікроорганізмів.
Автотрофна фіксація СО2. Характеристика автотрофних мікроорганізмів. Потреби мікроорганізмів у сполуках азоту, акумуляція амонійних і нітратних форм азоту. Біохімічні механізми фіксації молекулярного азоту. Мікроорганізми, які здійснюють цей процес.
7
Основні закономірності біосинтезу мікроорганізмами мономерних сполук – попередників біополімерів. Особливості біосинтезу мікробною клітиною основних біополімерів: білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів, вторинних метаболітів.
Стадії синтезу білка. Транскрипція – утворення матричної РНК на ДНК бактеріальної хромосоми. Особливості трансляції в прокаріотів біосинтезу білка на рибосомах за участю тРНК та мРНК.
Взаємозв’язок конструктивних і енергетичних процесів. Питання регуляції метаболічних реакцій у клітині. Механізм індукції та репресії синтезу ферментів. Схема Жакоба та Моно. Регуляція шляхом зміни активності алостеричних ферментів.
Тема 14. Мікробний синтез Розвиток мікробіологічної промисловості. Використання мікробного синтезу та
ферментативного каталізу в промислових масштабах із метою одержання цінних біологічно активних речовин.
Технологічні переваги мікроорганізмів. Типова схема мікробіологічного виробництва; поживні середовища, очищення та стерилізація повітря, одержання посівного матеріалу, виробниче культивування, кінетика росту мікроорганізмів, виділення харчового продукту, контроль виробництва продуктів мікробного синтезу. Премікси. Виробництво кормових білкових продуктів. Проблема дефіциту білка та засоби його ліквідації. Дріжджі як джерело одержання кормових білкових продуктів, їх властивості. Сировинна база.
Біологічно активні речовини промислового виробництва:
–ферменти. Їх номенклатура. Технологія виробництва. Поверхневий та глибинний способи культивування. Імобілізовані ферменти;
–амінокислоти. Біосинтез лізину, глутамінової кислоти, триптофану. Продуценти, їх культивування. Технологія. Використання;
–вітаміни. Синтез ціанкобаламіну (В12), рибофлавіну (В2), каротиноїдів, ергостерину. Перевага мікробного синтезу вітамінів. Продуценти, їхня характеристика;
–антибіотики немедичного призначення. Ефективність їх використання у тваринництві. Препарат тетрацикліну (теравіт, біовіт), бацитрацину, грізину, гігроміцину Б, нізину, тріхоміцину. Продуценти, їх характеристика;
–замінник плазми крові – декстран. Його одержання. Продуценти. Застосування;
–мікробна трансформація речовин. Трансформація стероїдів. Мікроорганізми, які використовуються в процесі трансформації. Технологія. Застосування;
–мікробні патогени. Їх специфічність і перевага над хімічними препаратами. Характеристика бактеріальних препаратів. Продуценти. Технологія. Вірусні препарати
Тема 15. Антибіотики, їх природа та властивості. Виробництво та сфера застосування антибіотиків.
Визначення поняття “антибіотики”. Значення антибіотиків як хіміотерапевтичних засобів, що використовуються в медицині. Досягнення в біології, хімії, генетиці, пов’язані з антибіотиками. Внесок вітчизняних вчених І.І. Мечникова, В.А. Манасеїна, А.Г. Полотебнова, Н.А. Красильникова, Г.Ф. Гаузе, З.В. Єрмольєвої у вивченні мікробного антагонізму. Історія відкриття антибіотиків. Створення високорозвиненого виробництва антибіотиків на основі мікробного синтезу.
Поширення продуцентів антибіотиків у природі. Класифікація антибіотиків в залежності від походження: бактеріальні (граміцидин, поліміксини, нізин тощо), грибкові (пеніциліни, цефалоспорини), актиноміцетні (стрептоміцин, тетрацикліни, еритроміцин тощо), антибіотики вищих рослин (аліцин, рафанін) та тварин (лізоцим,
8
екмолін, еритрин). Активність антибіотиків, поняття про одиниці дії. Вибірковість, спектр дії.
Характер і механізми біологічної дії антибіотиків. Антибіотики – інгібітори синтезу клітинної стінки, які порушують функції мембран, синтез білка, нуклеїнових кислот.
Основні етапи промислового одержання антибіотиків: значення розробок способів глибинного вирощування продуцентів, створення сприятливих умов біосинтезу, розробки технології виділення та очистки антибіотиків, селекції промислових високоактивних штамів (роботи С.І. Аліханяна та його школи).
Використання антибіотиків у медицині, ветеринарії, тваринництві, харчовій і кормовій промисловості, а також як тонких реактивів – інгібіторів у біохімічних дослідженнях. Основні принципи раціонального використання антибіотиків під час лікування інфекційних захворювань. Ефективність антибіотикотерапії. Побічні дії антибіотиків: прояви токсичності, дисбактеріозів, алергізації, виникнення стійкості до препарату. Механізм виникнення стійких форм, біохімічні основи антибіотикорезистентності. Шляхи подолання стійкості. Нові напрямки у вченні про антибіотики: одержання напівсинтетичних препаратів (напівсинтетичні пеніциліни, цефалоспорини), їх особливості та перспективи використання в медицині. Поширення мікроорганізмів та їх роль у кругообігу речовин у природі. Кругообіг азоту
Тема 16. Поширення мікроорганізмів у біосфері. Поняття про екологічну нішу. Фактори, які впливають на якісний та кількісний склад мікроорганізмів. Мікроорганізми та біогенна міграція атомів. Поняття про кругообіг речовин у природі. Кругообіг азоту.
Фіксація молекулярного азоту. Відкриття мікроорганізмів, що здійснюють цей процес. Роботи С.Н. Виноградського та М. Бейерінка. Вільноживучі азотфіксатори:
а) анаеробний фіксатор – C. pasteurianum. Його характеристика та поширення; б) аеробний фіксатор – азотобактер. Його характеристика та поширення.
Симбіотична фіксація азоту. Роботи М. Бейерінка. Бульбочкові бактерії. Їх характеристика. Специфічність. Значення бактероїдів.
Амоніфікація. Визначення. Типи. Амоніфікуюча мікрофлора. Значення цього процесу для родючості ґрунтів.
Нітрифікація. Роботи С.Н. Виноградського. Види нітрифікуючих бактерій. Їхня характеристика. Двофазність процесу. Тісний зв’язок процесів амоніфікації та нітрифікації в ґрунті. Нітрифікація та родючість ґрунтів.
Денітрифікація. Пряма та непряма. Денітрифікатори, їх поширення у ґрунті. Негативне значення цього процесу для сільського господарства та заходи боротьби з ним.
Тема 17. Участь мікроорганізмів у кругообігу вуглецю, сірки, фосфору, заліза. Перетворення вуглецевмісних речовин у природі. Мінеральний вуглець. Його
питома вага в загальному метаболізмі вуглецю. Фізіологічний тип бактерій, які використовують лише мінеральний вуглець. Органічний вуглець. Вуглеводи рослинних залишків та їхнє перетворення. Розщеплення речовин, що входить до складу клітинних стінок рослин. Розщеплення пектинових речовин. Збудники, їх характеристика. Хімізм процесу. Розщеплення клітковини. Мікроорганізми, які розщеплюють клітковину в аеробних і анаеробних умовах, їх характеристика. Роль клітковинних бактерій у шлунку жуйних тварин. Роботи С.Н. Виноградського, В.Л. Омелянського. Розщеплення в природі лігніну, жирів, восків. Мікроорганізми, їх характеристика. Метаболізм вуглеводів у природі.
Біологічний цикл сполук сірки. Мінералізація органічної сірки. Мікроорганізми, які здійснюють цей процес. Перетворення мінеральної сірки. Характеристика
9
мікроорганізмів – не нитчастих (р. Thiobacillus) та нитчастих (р. Beggiatoa, p. Thiotrix), фотосинтезуючих зелених і пурпурних сіркобактерій. Роботи С.Н. Виноградського. Відновлення мінеральної сірки. Характеристика сульфатовідновних бактерій. Їхня роль у геологічних процесах.
Перетворення сполук фосфору в природі. Джерела фосфору в природі. Мінералізація фосфорорганічних сполук. Мобілізація важкодоступних фосфатів. Мікроорганізми, які беруть участь у цих процесах.
Перетворення заліза та марганцю в природі. Збудники, їх характеристика. Роль мікроорганізмів у геологічних процесах, бактеріальне вилуговування металів та перспективи його промислового використання (роботи кафедри).
Змістовий модуль 4. Генетика мікроорганізмів Тема 18. Сталість, зміна та передача ознак. Мутації.
Вступ до генетики мікроорганізмів. Роль генетики мікроорганізмів у розвитку молекулярної біології, медицини, технічної мікробіології. Спадковість та мінливість у мікроорганізмів (вчення про плеоморфізм та мономорфізм). Поняття про генотип і фенотип, фенотипічна адаптацію та мутації. Використання бактерій та фагів для вирішення кардинальних питань спадковості та мінливості живих організмів.
Генетичний апарат у еукаріотів і прокаріотів: помилки реплікації, що є результатом заміни однієї пари основ (точкові мутації) та розриву вуглеводнофосфатного остову ДНК із випаданням, інверсією чи вставкою нового фрагмента. Спонтанні та індуковані мутації, частота їх виникнення. Використання фізичних та хімічних мутагенів. Молекулярні основи реверсії.
Фенотипічні вираження мутацій: зміна чутливості до антимікробних речовин, втрата здатності використовувати певні субстрати, виникнення ауксотрофності, поява фагорезистентності, високої чутливості до температури (умовно-летальні мутанти) тощо.
Методи відбору мутантів: використання селективних середовищ, відбір, заснований на різній здатності до виживання (пеніциліновий метод, фільтрація). Час фенотипічного вираження мутацій у клітинах з одним чи декількома нуклеотидами. Мутації з придбанням, мутації із втратою. Роль мутацій у популяційній мінливості, еволюції мікроорганізмів. Селекція різних мутантів. Застосування мутантів мікроорганізмів у наукових дослідженнях і практичних цілях.
Тема 19. Внутрішньоклітинне перенесення та генетична рекомбінація в бактерій. Генетична рекомбінація в прокаріотів. Механізми перенесення генетичного
матеріалу: трансформація, кон’югація, трансдукція. Основні відмінності статевого процесу еукаріотів і прокаріотів, уявлення про мерозиготу, доля генетичного матеріалу, перенесеного до клітини: схрещування з утворенням рекомбінантної хромосоми шляхом інтеграції, подібність цього процесу до репарації ДНК. Рестрикція та модифікація чужорідної ДНК.
Трансформація бактерій. Відкриття явища трансформації (дослід Гріффітса), виявлення природи трансформуючого агента. Фактори, що сприяють здійсненню трансформації. Значення компетентності, механізми поглинання ДНК. Частота та генетичний аналіз трансформантів.
Трансдукція, викликана помірними фагами. Різновиди трансдукції: специфічна, за якої здійснюється перенесення точно визначеного фрагмента ДНК клітини донора (модель λ-фага), та неспецифічна – фаги переносять різні фрагменти ДНК хазяїна. Поширення явища трансдукції серед грампозитивних та грамнегативних бактерій.
Кон’югація бактерій. Роль плазмід у кон’югації. Фактор, що визначає стать, частота перенесення F-фактора. Перенесення бактеріальної хромосоми за участю F-
10
фактора. Стан F+ та Hfr. Частота інтеграції F-фактора в хромосому. Визначення порядку перенесення маркерів за часом входження кожного з них чи за частотою рекомбінацій.
Використання методів генетичної рекомбінації для побудови генетичної карти хромосоми, вивчення будови генів.
Тема 20. Практичне використання результатів генетичних досліджень Сучасні досягнення біотехнології. Значення генетичних досліджень в практиці
селекційної роботи з промислово корисними формами мікроорганізмів (досягнення у селекції продуцентів антибіотиків, ферментів та інших біологічно активних речовин).
Новий напрям у біотехнології – конструювання штамів із заданими властивостями на основі одержання рекомбінантних молекул ДНК. Використання вірусів і плазмід у генній інженерії. Плазміди, їх молекулярна організація, основні властивості: реплікація, об’єднання з хромосомою та трансмісивність.
Типи плазмід. Властивості бактерій, визначені генами плазмід (статевий фактор, СоI-фактор, фактор резистентності, пеніциліназні плазміди, розщеплення плазмід). Роль плазмід у здійсненні кон’югації, перенесення плазмідної ДНК. Взаємозв’язки між плазмідами, фагами та хромосомами, основні гіпотези про походження.
Основні засоби одержання рекомбінантних ДНК: одержання лінійних фрагментів плазмід і вірусів (фагів) та чужорідної ДНК, гібридних молекул шляхом з’єднання фрагментів, уведення гібридної молекули в бактеріальну чи інші клітини (спосіб уведення визначається природою вектора – трансформація, трансдукція), використання одержаних штамів для виробництва заданих продуктів. Основні наукові та практичні досягнення генної інженерії: можливість включення різних генів людини, тварин, бактерій у штами кишкової палички та інших мікроорганізмів; одержання стійких штамів, синтезуючих функціональні білки; одержання суперпродуцентів амінокислот. Створення технології виробництва людського інтерферону та соматостатину на основі одержання штамів кишкової палички. Проблеми та перспективи розвитку генної інженерії.