Микроорганизмы и важнейшие физические факторы среды обитания

1. Микроорганизмы и важнейшие физические факторы среды обитания

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра биохимии и микробиологии
Микроорганизмы и важнейшие
физические факторы среды
обитания
Лекция 3
Лектор: Давыдова Ольга Константиновна, к.б.н., доцент

2. План лекции:

Фотосинтез, фототаксис и фотохромность у
микроорганизмов.
Механизмы повреждающего действия УФ и
ионизирующего излучения.
Радиорезистентность микроорганизмов и ее
молекулярные механизмы.

3. Абиотические факторы

Физические:
- земное тяготение
- магнитные поля
- гидростатическое
давление
- температура
- видимый свет
- ультрафиолет
- ионизирующие
излучения
Химические

4. Шкала электромагнитных волн

© http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/09_06/RADIO.HTM

5. Действие ультразвуковых волн

Механические повреждения (эффект кавитации) и
разрушение клеток при ультразвуковом воздействии.
Биохимические и функциональные изменения (могут
высвобождаться биологически активные вещества,
изменяется чувствительность к антибиотикам).
Чувствительны к УЗ все микроорганизмы, в том числе и
споровые. Отличаются по степени чувствительности к
этому фактору (среди патогенных форм наибольшую
устойчивость к УЗ выявили у Mycobacterium tuberculosis).

6.

Действие излучений различных диапазонов
Важнейшим источником естественного излучения является солнечная
радиация.
© http://otravleniya.net/izluchenie/solnechnaya-radiatsiya.html
Эффекты, вызываемые облучением живых организмов, зависят от длины
волны излучения и его дозы, т.е. от энергии и количества поглощенных
квантов.

7.

Действие излучений различных диапазонов
Основная часть излучения 75% – видимые лучи,
20% - ИК,
5% - УФ в диапазоне 290-380 нм,
<290 нм активно поглощается озоновым слоем стратосферы.
ИК – нагревание
Видимый свет – фотосинтез, фототаксис, фотореактивация,
фотохимические окислительные процессы, синтез веществ
УФ – бактерицидный (чем длина волны меньше, тем больше
энергия) и мутагенный эффекты
УФ-А 315-400 нм
УФ-В 280-315 нм
УФ-С 100-280 нм
Биологическое значение – область вблизи 260 нм
Ионизирующее излучение (Х и Y-лучи) - бактерицидный и
мутагенный эффекты

8.

Биологические эффекты
© http://www.studfiles.ru/preview/2164498/page:2/
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.

9.

Действие видимого света
Действие света
Фототаксис Фотосинтез Фотохромность
Регуляция метаболизма (Pseudomonas putida)
Замена пар оснований и мутации сдвига рамки
(450 нм) (Escherichia coli)
Фотолиз клеток (410 нм, 550 нм) (Myxococcus
xanthus)
Взаимодействие с фотосенсибилизаторами
Даль- Ближ-
200
ний
ний
УФ
УФ
300
Ближний ИК
Видимый свет
400
500
600
700
800
900
Длина волны
Поглощается
5%
75%
20%
1000
1100

10. Бактерии и видимый свет: возможные феномены

Фототаксис - двигательная реакция
подвижныхмикроорганизмов в ответ насветовой стимул; один из
видов таксисов
Фотохромность – зависимость образования пигментов от
освещения
Фотосинтез – использование энергии света для синтеза
органических веществ из неорганических (фототрофия)

11.

Действие видимого света
Видимый свет в качестве источника энергии используют
фототрофные бактерии.
Фотосинтез, сопровождающийся выделением О2,
осуществляется цианобактериями и возможен в
диапазоне от 300 до 750 нм.
Для эубактерий же, способных к осуществлению
безкислородного фотосинтеза, диапазон излучений,
обеспечивающих фотосинтетическую активность,
увеличивается в сторону более длинных волн,
захватывая ближнюю ИК-область: для зеленых бактерий
вплоть до 840 нм, пурпурных — до 920 нм, а для
некоторых представителей этой группы — до 1100 нм.

12.

Действие видимого света
Распределение
микроорганизмов вдоль
профиля водоема
Водоросли и цианобактерии
Зеленые и пурпурные бактерии
Пурпурные серобактерии
©http://micro.moy.su/publ/obshhaja_mikrobiologija/fototrofnye_bakterii_i_fotos
intez/rasprostranenie_fototrofnykh_bakterij/15-1-0-152
Микроорганизмы способны
менять метаболизм при смене
освещенности, «усваивать»
свет периодически или только в
определенных условиях.
© http://www.ipages.ru/index.php?ref_item_id=9209&ref_dl=1

13.

Фотосинтез
– преобразование фототрофными микроорганизмами солнечной энергии
в биохимически доступную. Способность к фотосинтезу определяется
наличием пигментов.
Фотосинтез
Оксигенный
В качестве доноров
водорода
используют воду.
Идет с выделением
О2.
Цианобактерии
Аноксигенный
В качестве доноров
водорода используют Н2S,
Н2 или органические
вещества. Идет без
выделения О2.
Пурпурные, зеленые
и галобактерии.

14.

Фототаксис
(от фото - свет и taxis – расположение) – двигательная
реакция подвижных микроорганизмов в ответ на световой
стимул.
Положительный фототаксис-движение к свету, отрицательныйнаоборот.
Фотокинез – изменение скорости движения бактерий в ответ на
изменение силы света.

15. Фототаксис

© http://bse.sci-lib.com/article117274.html
Различают 2 основных
типа фототаксиса :
топотаксис и фоботаксис.
При топотаксисе клетки
направленно движутся к
источникусвета
(положительный топотаксис)
или от него (отрицательный).
При фоботаксисе клетка
меняет направление
движения на обратное на
границе участков с
различной освещенностью
(шоковая реакция, реакция
«испуга»).

16.

Механизмы фототаксиса
Одно- и двухфотонные фотоциклы
сенсорного родопсина архебактерии
Halobacterium salinarium
• поглощение света
Синий свет
• преобразование стимула и
передача сигнала двигательному
аппарату
• изменение движения жгутиков
Красный свет
© http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/15053.html
Красный свет действует как аттрактант, а синий, как репеллент.
Пигменты активны в диапазоне длин волн примерно от 450 до 600 нм

17.

Фотохромность
– зависимость образования пигментов некоторыми микроорганизмами от
освещения (Myxococcus xanthus, актиномицеты, и др.). Изменение количества
хлорофиллов в ответ на изменение интенсивности света, фикобилинов и
каротиноидов – на изменение спектрального состава света.
Поперечный срез фототрофной бактерии Rhodobacter
capsulatus, выращенной в анаэробных условиях на
ярком свету (ЯС) и слабом свету (СС).
ВЦМС -внутрицитоплазматические мембранные
структуры
КС – клеточная стенка.
© http://biosnano.com/H.sal.ru.pdf
© https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Rhodobacter
Окраска галобактерий
обусловлена наличием
каротиноидов, которые
защищают клетку от
фотоповреждения

18. Фотохромность: пигментоообразование у Myxococcus xanthus

© http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/lifesci/research/hodgsongroup/
Синий свет вызывает индукцию образования каротиноидных
пигментов.

19. Фотосинтез

Фототрофные, или
фотосинтезирующие,
бактерии — типично
водные микроорганизмы,
распространенные в
пресных и соленых
водоемах. Особенно часто
они встречаются в местах,
где есть сероводород, как в
мелководье, так и на
значительной глубине. В
почве фототрофных
бактерий мало, но при
затоплении ее водой они
могут расти весьма
интенсивно.
© http://plant.geoman.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st011.shtml

20. Фотосинтез у эубактерий обычно связан с наличием сложных мембранных структур

Типы фотосинтезирующего аппарата у
фототрофных бактерий:
1—4 — у пурпурных бактерий,
5 — у зеленых серобактерий.
© http://plant.geoman.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st011.shtml

21. При общности строения (магнийсодержащие порфириновые пигменты) бактериохлорофиллы отличаются максимумами поглощения световых

волн
© http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5058.html
© http://plant.geoman.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st011.shtml
Различия в спектрах поглощения отдельных представителей
фототрофных бактерий имеют экологическое значение, позволяя
развиваться им в одних и тех же местах.

22. Ультрафиолет

Ближний УФ: 400-320 нм
Средний УФ:320-290 нм
Дальний УФ:290-200 нм (нижний предел
длины волны света, попадающего на земную
поверхность около 290 нм)

23.

Механизмы повреждающего действия УФ
При облучении ДНК происходит:
двунитиевые разрывы
однонитиевый разрыв
Т-Т сшивка
дезаминирование цитозина

24. Действие ближних УФ-лучей (320-400 нм)

Нарушение механизов движения и таксиса.
Замедление роста культур и скорости деления клеток.
Угнетение индукции ферментов. Останавливается синтез белка.
При высоких дозах - мутагенный и летальный эффекты.
Повреждения ДНК и транспортных систем мембран.
Может вызвать фотопротекцию (снижение биологического эффекта
следующего облучения дальним УФ).

25. Действие среднего (320-290нм) и дальнего УФ (290-200нм)

Образование пиримидиновых димеров в ДНК.
Гидроксилирование цитозина и урацила.
Образование цитозин-тиминовых аддуктов.
Образование сшивок ДНК с белками.
Разрывы цепей и денатурация ДНК.
Формирование поперечных сшивок ДНК.

26. Действие среднего (320-290нм) и дальнего УФ (290-200нм)

© http://bv-prof.ru/public/pdf/Repaskin.pdf
Биологические эффекты действия среднего и дальнего УФ сходны.
ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240 – 300 нм, т.е. в области
среднего и дальнего УФ, с пиком поглощения в области 254 нм.
Образование пиримидиновых димеров в ДНК является основным
механизмом, обуславливающим летальный и мутагенный эффекты УФ.
В состав димеров могут входить два соседних тиминовых или цитозиновых
остатка либо один тиминовый и один цитозиновый остатки.
Под влиянием УФ-облучения происходит также гидроксилирование цитозина
и урацила, образование цитозин-тиминовых аддуктов, сшивок ДНК с белком,
формирование поперечных сшивок ДНК, разрывы цепей и денатурация ДНК.
Значение таких повреждений возрастает при повышении интенсивности
облучения.

27.

Механизмы повреждающего действия ионизирующего излучения
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.
Степень радиоустойчивости некоторых, бактерий значительно превышает
предельный уровень радиации, с которым организмы могут сталкиваться в
природе.
Ионизирующее излучение используется для стерилизации биопрепаратов,
перевязочного материала, инструментов.

28. Источники ионизирующего излучения:

Механизмы повреждающего действия ионизирующего излучения
Источники ионизирующего излучения:
Естественная радиация (нестабильные изотопы в почве, атмосферных
осадках; радиоактивные минералы).
Вторичные космические лучи.
Искусственные ионизирующие излучения: работа АЭС, испытания
ядерного оружия и др.
Степень радиорезистентности зависит от работы систем
репарации и регуляции (например, Deinococcus radiodurans способен
репарировать даже двунитевые разрывы ДНК).
В некоторых случаях – связь радиоустойчивости с особенностями
местообитания бактерии: например, родоновые минеральные
источники.

29. Заключение

В природе микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию солнечной
радиации. Прямые солнечные лучи вызывают гибель многих микроорганизмов
в течение нескольких часов, за исключением фотосинтезирующих бактерий
(зеленых и пурпурных серобактерий), что привело к развитию у них таких
защитных механизмов как фототаксис и фотохромность.
Губительное действие солнечного света обусловлено активностью УФ-лучей.
Они инактивируют ферменты клетки и повреждают ДНК.
Бактерицидное действие УФ-лучей используется для стерилизации воздуха
закрытых помещений.
Другие виды лучистой энергии - рентгеновские лучи, α-, β-, γ-лучи оказывают
губительное действие на микроорганизмы только в больших дозах, при этом
гибель микробов обусловлена разрушением ядерных структур и клеточной
ДНК. Малые дозы излучений стимулируют рост микробных клеток.
Микроорганизмы значительно устойчивее к радиоактивным излучениям, чем
высшие организмы.
Бактерицидное действие ионизирующего излучения используется для
консервирования некоторых пищевых продуктов и стерилизации биологических
препаратов.