|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
«Физиология устойчивости микроорганизмов».учебный курс
- Авторы: Лебедева А.Ф., Саванина Я.В.
- Год создания: 1999
- Организация: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Описание: Курс лекций посвящен основным проблемам и достижениям физиологии цианобактерий и микроводорослей, а также иных микробиологических объектов с их уникальными свойствами в плане адаптации к воздействию различных физико-химических факторов среды, включая экстремальные. В мире микроорганизмов широчайший спектр физиологического разнообразия при сохранении биохимического единства представлен как ни в одном другом биологическом царств. Метаболические возможности микроорганизма включают в себя все разнообразие реакций, к осуществлению которых он способен. Одни из них реализуются при определенном образе жизни каждого организма, в конкретных условиях его существования, другие - при другом образе жизни, наконец, некоторые возможности так и остаются невостребованными. Задачей физиологии микрорганизмов является изучение образов жизни, функционирования целого организма в его взаимодействии со средой и как части экосистемы, т.е. как происходит реализация программы, заложенной в генетическом аппарате. Источником современных аспектов курса служат экспериментальные и обзорные работы последних лет. ПРОГРАММА КУРСА Ввведение. Экофизиология как научная дисциплина на стыке физиологии клетки и экологии. Предмет и задачи курса: физиологические механизмы адаптации микроводорослей и цианобактерий к действию различных физико-химических факторов, включая экстремальные. Экологические факторы и диапазон толерантности. «Границы жизни» прокариот и иных микробиологических объектов. Преимущества и недостатки микроскопических размеров в плане адаптации. Основные понятия: гомеостаз, стресс, чувствительность, устойчивость, адаптация. Границы устойчивости микроорганизмов к стрессовым воздействиям (температура, свет, рН среды, осмотичность, элементы минерального питания, загрязняющие вещества). Особенности строения и метаболизма прокариотной клетки, определяющие ее устойчивость (компоненты клетки: «обязательные», т.е. встречающиеся у всех микроорганизмов и нуждающиеся в защите – ЦПМ, носитель генетической информации, аппарат синтеза белка, и «необязательные» - клеточная стенка, слизистые капсулы, запасные вещества), отличия от эукариот и архей. Физиологические особенности культур в условиях экстремального существования. Типы устойчивости (толерантность и резистентность), норма реакции. Энергетическая составляющая адаптации микроорганизмов к условиям внешней среды. Покоящиеся формы: условия перехода, особенности, определяющие устойчивость. Природные и лабораторные популяции микрорганизмов. Возрастная и видовая гетерогенность. Теоретические и практические основы различных методов культивирования аксеничных и смешанно-раздельных культур автотрофных и гетеротрофных организмов. Влияние на устойчивость стадий роста клеточных культур (латентная, логарифмическая, стационарная фаза). Сравнительный анализ физиологических особенностей развития культур: рост, фотосинтез, пигментный состав и пр. при периодическом и диализном культивировании. Смешанно-раздельная культура. Взаимодействие цианобактерий с гетеротрофными микроорганизмами в природных экосистемах и лабораторных условиях Информационная, трофическая и барьерная роль экзометаболитов. Антагонисты и стимуляторы роста цианобактерий. Адаптация как компенсаторные изменения в организме в ответ на влияние какого-либо фактора; «уровни адаптации» к стрессовым факторам – от регуляции активности ферментов до образования симбиозов (включая альго/циано-бактериальные). Симбиозы: особенности функциони-рования; адаптивная роль (цианобактериальные маты, микориза, эпифиты высших рстений). Элементы минерального питания, участие цианобактерий и микроводорослей в круговоротах основных элементов. «Макроэлементы»: уравнение образования органического вещества и его траты в водных экосистемах. Метаболизм углерода. Преимущества и недостатки фиксации СО2 по С3 и С4-типу. Роль фитопланктонных организмов в углеродном балансе биосферы: продуктивность, баланс газообмена и ассимилятов. Физиологические группы про- и эукариотных микроорганизмов, различающиеся по типам питания (8). Возможность миксо - и гетеротрофии в определенных условиях среды, адаптивные преимущества микроор-ганизмов, использующих различные субстраты окисления. Адаптация к высоким и низким температурам, границы. Двухфазная модель ответа организмов на повреждающие воздействия. Приспособления к термофилии: белки теплового шока, перестройка мембран, накопление определенных вешеств в цитоплазме. «Тепловая эвтрофикация» (в свете прблемы «глобального потепления»): влияние на процессы роста и размножения и изменения видового состава в сообществах прудов-охладителей ГРЭС и АЭС. «Закалка». Сходство (либо аналогия) действия пониженных температур и повышенного давления: особенности строения мембран и ферментов. Приспособления клеток к льдообразованию. Вода: физико-химические особенности вещества, определяющие его роль в клетке (обеспечение непрерывной внутренней среды и пр.), отличия по содержанию воды про- и эукариот. Доступность воды для микроорганизмов (аw): приспособления к дефициту воды, осмо-и галофилы - механизмы осморегуляции и ионного гомеостаза. Кислото- и алкалофилы: представители, поддержание pH–гомеостаза клетки – пассивные и активные механизмы. Участие микроорганизмов в круговороте азота, взаимосвязь процессов фотосинтеза и азотфиксации у цианобактерий, доля и роль процесса азотфиксации в общем круговороте азота, воздействие различных факторов Экофизиологические аспекты фосфорного метаболизма цианобактерий и микроводорослей. Образование микроводорослями вторичных метаболитов и токсинов, их использование в биотехнологии. Эвтрофия-олиготрофия: видоспецифичность путей адаптации. Эвтрофикация и «цветение» (algal bloom, red tides): условия появления, проблема образования токсинов, возможность предотвращения. Роль кислорода в качестве конечного акцептора электронов (сравнительная эфективность относительно брожения, и анаэробного дыхания) и окислителя: включение в метаболизм трудноразлагаемых субстратов (лигнин, углеводороды нефти), защита от инфекций (пищеварительная вакуоль фагоцита). Цианобактерии – “кислородвыделяющие анаэробы” (появление кислородной атмосферы); взаимодействие клеток с кислородом на свету и в темноте. Молекулярный кислород как фактор регуляции фотосинтеза. Фотодыхание: сравнительный анализ гликолат-зависимого поглощениякислорода у фототрофных организмов. Классификация организмов по отнощению к кислороду и окислительно-восстановительной активности среды обитания: анаэробы (облигатные и факультативные), микроаэрофилы, аэробы. Кислород в атмосфере, почве, водной среде - взаимосвязь с температурой и наличием органического вещества. Активные формы кислорода (супероксид-радикал, перекись, озон): участие в стрессо-вых реакциях и обезвреживание; ферментная и неферментативная (ионы металлов, каротиноиды) защита. Взаимодействие клеток с излучением. Видимый спектр – использование света различного спектрального состава разными группами фототрофных микрорганизмов. «Электромагнитное загрязнение» Повреждающее действие ультрафиолетового и радиоактивного излучения. Защита: отражение, поглощение, роль систем репарации. Химические загрязнения. Рассматриваются два направления: 1) изучение физиолого-биохимических ответов клеток, поиск наиболее чувствительных объектов для биотестирования, выяснение пределов их чувствительности и наиболее чувствительных тест-параметров, влияние внешних условий на проявление токсического эффекта; 2) удаление и концентрирование токсикантов из промышленных стоков, природных водоемов и почв с использованием аксеничных и смешанно- раздельных культур. Источники появления потенциально токсичных веществ в окружающей среде (естественные и антропогенные); «ксенобиотики». Пути, формы, объемы поступления веществ в биосферу. Основные представители загрязняющих веществ: углеводороды нефти, пестициды, ПАВ, ПХБ антибиотики: накопление, токсический эффект. Поступление ксенобиотиков в клетки и распределение в них. «Коэффицент накопления» токсичных веществ организмами, зависимость от факторов внешней среды: гидрохимического режима, рН, концентрации О2, света, температуры, комплексообразователей. Механизмы накопления, кумуляция (материальная и физиологическая); биомагнификация – концентрирование токсикантов в пищевой цепи. Понятия токсикологии: чувствительность, устойчивость, толерантность, резистентность, норма.Взаимоотношения концентрации, времени воздействия и токсического эффекта. Понятия Ско, СК50, СК100, ПДК. Фазность, инверсия и парадоксальные явления в токсическом эффекте. Изменения жизненных функций и биологических структур как отражение токсического поражения организма. Классификация токсичных веществ по воздействию на физиологические процессы: нарушения проницаемости мембран, влияние на ДНК. на пластический и энергетический обмен, размножение. Биотестирование: микроорганизмы как датчики обобщенных свойств среды; тест-объекты и тест-параметры. Воздействие токсикантов на разных уровнях биологической организации, от молекулярного (инактивация ферментов, повреждение липопротеидов) до изменений в популяциях и сообществах. Зависимость токсического эффекта от температуры, гидрохимического режима, освещенности. Воздействие нескольких токсикантов: аддитивное, синергическое, антагонистическое. Сенсибилизация. Изменения токсического эффекта в зависимости от вида, возраста, пораженности болезнями. Особенности воздействия на популяции, сообщества, модельные и реальные экосистемы: биомасса, размерные и видовые характеристики. Воздействие и ответ: взаимосвязь процессов деструкции, компенсации и эффекта. Толерантность, экологическая валентность, акклиматизация и акклиматизация. Виды адаптации к токсическому воздействию. Длительность во времени, генотипические и фенотипические, полноценные и неполноценные адаптации. Роль метаболизма в превращении веществ – конъюгация, окисление, восстановление. Детоксикация хлор- и фосфороорганических соединений, диметилтиокарбоматов. Неэлектролиты. Индуцируемые ферменты. Неспецифическая (связанная с особенностями организма) и специфическая (связанная с особеноостями токсического воздействия) устойчивость. Участие цианобактерий и микроводорослей в круговороте металлов. Физиологическая роль ионов металлов для цианобактерий (поддержание гомеостаза, активные центры ферментов). Биогеохимические провинции (условия недостатка или избытка отдельных ионов). «Тяжелые металлы» (ТМ): токсичность и устойчивость, общность механизмов адаптации к стрессовым воздействиям. Аккумуляция тяжелых металлов клетками гетеротрофных бактерий, цианобактерий и микроводорослей: механизмы накопления, влияние внешних факторов. Условия, способствующие максимальному извлечению металлов из среды культивирования. Основные механизмы токсического повреждения (замена иона в простетической группе ферментов, окислительные повреждения, взаимодействие с активными группами, включая тиоловые) Специфические и неспецифические механизмы адаптации к стрессовым воздействиям . «Послойная» модель устойчивости клеток к воздействию ТМ: влияние внешних факторов и состояния культур; барьерная функция клеточных стенок и иных внешних структур; механизмы окисления/восстановления металлов и их дальнейшего выведения из клетки/хранения в компартментах в неактивной форме.: влияние внешних условий и состояния культур. Физиологическая роль тиоловых соединений в клетках цианобактерий и микроводорослей. Прямое и опросредованное действие тяжелых металлов на глутатионовую систему клетки: негативные последствия для клетки и экосистемы Конститутивная и индуцируемая устойчивость. Металлотионеины (МТ), фитохелатины и метилирование металлов как пример специфической адаптации к стрессовым воздействиям. Общие сведения: классификация МТ, структура молекулы, связывание металлов, биосинтез и его регуляция в зависимости от различных факторов. Заключение. Экологические группы: распределение микроорганизмов по местообитаниям. Эволюционные аспекты экофизиологии («временная шкала»).
- Добавил в систему: Саванина Янина Вячеславовна