Реферат
Действие физико-химических факторов на прокариотную клетку
Выполнила:
Казань
Содержание
Введение. 3
Влияние температуры.. 3
Отношение к молекулярному кислороду. 8
Отношение к кислотности среды.. 14
Активность воды и осмотическое давление. 17
Гидростатическое давление. 21
Список литературы.. 25
Введение
Физиология организма определяется границами его приспособления к физическим и химическим условиям среды обитания и описывается областью толерантности, когда речь идет о неблагоприятных факторах. Для непрерывных факторов можно установить зависимость скорости роста от них в виде треугольника, вершины которого соответствуют кардинальным точкам, обычно указываемым в описании вида. Для каждого фактора устанавливаются максимальное и минимальное значения, при которых нет роста, и оптимум, при котором рост (или иная функция) максимальны. Вне области оптимума организм активен, но находится в области толерантности; его конкурентоспособность понижена и его может вытеснить другой вид.
В соответствии с экологически значимыми факторами выделяются физиологические группы организмов. Среди них следует рассмотреть классификацию групп по физическим и физико-химическим факторам. Они определяют местообитания, в которых данная группа развивается.
Для прокариот как группы в целом характерна способность существовать в гораздо большем диапазоне условий внешней среды, чем для эукариотных организмов. Среди прокариот есть организмы, которые могут расти в подводных вулканических источниках (температура до 300 °С), кислой (рН 1 и ниже) и щелочной (рН 11 и выше) среде, при давлении 1000 атм, высоких концентрациях тяжелых металлов, концентрации соли до 30 %, высоких уровнях радиации. Обязательным условием для этого является наличие водной среды. Прокариоты растут при активности воды в диапазоне от 0,7 до 0,998 и не могут расти в аэрозолях и во льду.
Влияние температуры
При определении влияния температуры на прокариотные организмы следует различать два момента: способность организмов к выживанию после длительного нахождения в экстремальных температурных условиях и способность их к росту в этих условиях. Приспособления, сформированные у прокариот для перенесения неблагоприятных условий, в том числе и температурных, — это споры, цисты. Устойчивость вегетативных клеток и различных покоящихся форм больше в условиях воздействия низкими температурами. Так, вегетативные клетки и покоящиеся формы сохраняли жизнеспособность после длительного выдерживания при температуре, близкой к абсолютному нулю. Последнее используется в качестве одного из способов, обеспечивающих длительное хранение культур прокариот.
При изучении влияния температуры на рост прокариотных организмов выделяют температурный диапазон, ограниченный минимальной и максимальной температурами, при которых рост прекращается, а также область оптимальных температур с максимальной скоростью роста. 
Треугольник зависимости скорости роста от температуры неравнобедренный (рис 1); скорость снижается медленно при понижении температуры, а при повышении вскоре после достижения наивысшей скорости роста резко срывается, и наступает гибель клеток при температуре, обозначаемой как максимальная. Диапазон между максимальной и минимальной температурами обычно составляет 20-30 °С. Оптимум зависимости от температуры располагается ближе к максимуму.
Различают стенотермные и эвритермные организмы. Первые имеют узкий температурный диапазон, а вторые – широкий, причем способны приспосабливаться к изменению температуры. Возрастание скорости роста от температуры обозначается как Q10 – возрастание скорости реакции в 2-4 раза при увеличении температуры на 10 °С. Определяющими для скорости роста могут служить разные реакции, среди которых можно выделить лимитирующие. Для ферментов и ферментных систем максимальные скорости наблюдаются обычно несколько выше оптимума роста. При максимальной температуре происходит денатурация белков, минимум приписывается сгущению мембранных липидов и зависит от содержания в них ненасыщенных кислот. Очевидно, что действию температуры подвергаются все системы клетки и решающей оказывается наиболее чувствительная.
Классификация организмов в зависимости от температуры (рис. 2) включает следующие категории:
· Психрофилы - рост в диапазоне от 0 до 20°С с оптимумом ниже 20°С, причем здесь имеются разные категории, вплоть до организмов, развивающихся при температуре около 0°С, в том числе при отрицательной во льдах, например, на нижней стороне плавучих льдов. Расти при низкой температуре могут также организмы, получившие название психроактивных. По сути дела, это эвритермные организмы, обладающие достаточной активностью при низкой температуре. Экофизиологическое различие между психрофилами и психроактивными организмами достаточно велико. Психрофилы (облигатные) существуют в постоянно холодных условиях, как, например, в глубинах океана или глубоких водоемах, где колебания температуры очень незначительны. Их температурный оптимум ниже 15ºС, максимум – около 20ºС; при 30ºС они отмирают. Эти бактерии играют существенную роль в круговороте веществ в регионах с постоянно низкими температурами. В качестве представителей облигатных психрофилов можно привести бактерии, морские светящиеся бактерии, железобактерии (например, рода Gallionella) и др. Психроактивные организмы (факультативные психрофилы) приспособлены к сезонным изменениям климата, в теплый период они накапливают биомассу, но продолжают расти и в то время, когда активность других подавлена. Факультативные психрофилы распространены значительно шире и встречаются в почвах и водах не только холодной, но и умеренной зоны. Многие из них вызывают порчу пищевых продуктов при низких температурах. Оптимум для роста факультативных психрофилов соответствует 25–30ºС, т. е. они способны расти в условиях, благоприятных для мезофильных организмов. К этой группе относятся некоторые виды бактерий родов Pseudomonas, Arthrobacter и др. Несмотря на важность психрофильных организмов в условиях нашей страны, они изучены крайне недостаточно, так как замедленный рост делает их неудобными лабораторными объектами. Приспособление к понижению температуры связывают с изменением состава мембран и со способностью к образованию криопротекторов. Увеличение в мембранах содержания ненасыщенных жирных кислот позволяет им находиться в функционально активном жидкостно-кристаллическом состоянии при низких температурах. Обязательное условие возможности роста психрофилов при минусовых температурах — нахождение воды в жидком состоянии. Важно отметить, что при пониженных температурах снижается не только скорость роста, но и скорость отмирания, и, соответственно, увеличивается выживание. Другой механизм связан с повышенным синтезом ключевых ферментов, имеющих более высокий температурный оптимум, но только благодаря накоплению сохраняющих достаточную для функционирования клетки активность.
· Мезофилы имеют оптимум, близкий к температуре тела теплокровных животных, однако многие лучше растут при 20-25 °С. Максимальная температура для свободноживущих мезофилов, около 45 °С, близка к максимальному нагреву почвы солнцем. Это наиболее изученная группа организмов, самая удобная для исследования в лабораторных условиях. Как уже упоминалось, среди этой группы выделяются стенотермные и эвритермные организмы. К мезофилам относятся наиболее массовые группы протеобактерий, цианобактерий, грамположительных организмов. Типичным мезофиллом является E. coli.
· Термофилы представлены организмами, растущими при температуре выше 50°С, но сейчас их разделили на несколько групп со специальными названиями. Собственно термофилы (облигатные термофилы) имеют максимум при температуре ниже 70°С и минимум - выше 40°С. Это обитатели термальных источников 
разогревающихся куч органического вещества в компостах или куч угля. Целый ряд важных функциональных групп, например цианобактерий, имеет своим пределом температуру 70 °С. Представители облигатных термофилов – бактерии вида Bacillus stearothermophilus, Bacillus acidocaldarius, Synechococcus lividus, архебактерии Methanobacterium thermoautotrophicum, Thermoplasma acidophilum и др. Термотолерантные – растут при температурах от 10 до 55–60ºС, оптимальная область находится в пределах 35–40ºС (как у мезофилов). Основное их отличие от мезофилов – способность расти при повышенных температурах. Примером термотолерантных бактерий являются бактерии вида Methylococcus capsulatus. Факультативные термофилы имеют температурный максимум 50–65ºС и минимум менее 20ºС, оптимум приходится на область температур, близких к верхней границе роста. Примером факультативных термофилов являются гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Lactobacillus. Они обитают на поверхности многих растений, откуда попадают в различные продукты – их легко обнаружить в молочных продуктах, солениях, маринадах, вине, фруктовых соках. Лактобациллы постоянно присутствуют в полости рта, кишечном 
тракте многих теплокровных животных и человека;
· 
Экстремальные термофилы имеют максимум при температуре около 90 °С и не растут при 60-70 °С. К экстремальным термофилам относятся организмы из группы архебактерии, не имеющие аналогов среди мезофилов, например представители родов Thermoproteus, Pyrococcus, Pyrodictium и др. Эти микроорганизмы распространены в горячих источниках, особенно в районах активной вулканической деятельности. Thermus aquaticus — грамотрицательная палочковидная экстремально термофильная бактерия рода Thermus. Обитает в горячих источниках Йеллоустонского национального парка и других подобных регионах, гейзерах при температурах выше 55 °C. Впервые открыта Томасом Броком и Хадсоном Фризом в районе Больших Фонтанов Йеллоустонского национального парка. Наконец, гипертермофилы имеют максимум при температуре выше 100 °С и представлены преимущественно гидрогенотрофными организмами. Это обитатели гидротерм и нагретой подземной гидросферы. Они вызвали усиленный интерес в последние годы. Ферменты экстремальных термофилов и гипертермофилов имеют высокий температурный оптимум и соответственно должны иметь иной состав. То же относится и к рибосомальному аппарату, поэтому не удивительно, что на филогенетическом дереве, построенном по 16S рРНК, они представляют далеко отстоящие от других организмов ветви. Мембраны их богаты насыщенными липидами. У экстремально термофильных бактерий обнаружено повышенное содержание гуанина и цитозина в ДНК, что придает стабильность и повышает температуру плавления этих молекул.
Термофильные бактерии имеют большое практическое значение. Обладая очень интенсивным метаболизмом, они являются активными продуцентами витаминов, ферментов, органических кислот, кормового белка и других ценных веществ. Эти их свойства широко используются в микробиологической промышленности, так как применение мезофильных микроорганизмов в ней ограничено из-за того, что в результате культивирования часть энергии выделяется в виде тепла и происходит разогрев субстрата (питательной среды), что приводит к гибели мезофильных микроорганизмов. Термофильные бактерии играют также большую роль в биологической очистке бытовых отходов и образовании метана.
Разделение на указанные физиологические группы по отношению к температуре до известной степени условно, потому что температура представляет непрерывный фактор и между областями психрофилов, мезофилов, термофилов нет "ничьей земли". Вместе с тем эти физиологические группы достаточно четкие, возможно потому, что промежуточные температуры исследованы не так подробно.
Термическая стерилизация служит наиболее распространенным способом стерилизации. Обычно применяется нагревание выше 120°С, приводящее к денатурации белков или разрушению других компонентов среды, например, к карамелизации Сахаров. При работе с гипертермофилами и некоторыми споровыми организмами полная стерилизация при этих условиях может быть не достигнута.
Отношение к молекулярному кислороду
Кислород широко распространен в природе, находясь как в связанном, так и свободном состоянии. В первом случае он входит в состав молекул воды, органических и неорганических соединений. Во втором — присутствует в современной атмосфере в виде молекулярного кислорода (О2), объемная доля которого составляет 21%. Кислород является обязательным химическим компонентом любой клетки. Подавляющее большинство организмов удовлетворяет свои потребности в этом элементе, используя обе формы кислорода.
Первоначально молекулярный кислород появился внутри клетки, и это сразу же создало проблему взаимодействия клетки с О2. Очевидно, что у первых фотосинтезирующих организмов, продуцировавших молекулярный кислород, не было ферментных систем не только для выгодного использования этого акцептора, но и для его нейтрализации в клетке. Не было их также и у других существовавших анаэробных форм жизни. Поэтому можно предполагать, что первый тип взаимодействия с О2 базировался на резко отрицательном отношении к нему клетки. Пример этого - многочисленные данные по высокой токсичности молекулярного кислорода для современных облигатно анаэробных организмов. Интересны данные о том, что в период, предшествовавший появлению больших количеств свободного кислорода в атмосфере, прокариотное сообщество было разнообразнее, чем в последующее время. Разнообразие прокариотного сообщества значительно уменьшилось 1,5 млрд лет назад.
Значение кислорода определяется его ролью как:
1. Сильного окислителя для некоторых субстратов, метана или ароматических соединений с помощью моно- и диоксигеназ;
2. Конечного акцептора электронов при осуществлении аэробного дыхания;
3. Одного из субстратов, например, при синтезе стероидов у дрожжей. Поэтому в анаэробных условиях дрожжи растут недолго (до 6 делений), так как им для биосинтеза холина, входящего в состав мембран, необходим кислород.
Токсичность кислорода определяется его реакционно-способными формами. Наиболее активной формой является синглетный кислород, *О2. Под действием света фермент-фотосенсибилизатор переходит в возбужденное состояние и передает энергию на молекулу кислорода, образуется синглетный кислород. Его высокая реакционная способность приводит к неконтролируемым реакциям окисления, которые могут разрушить компоненты клетки, но могут приводить и к окислению устойчивых веществ, таких как лигнин. Для гашения действия синглетного кислорода организмы образуют антиоксиданты, например, каротиноиды с цепью чередующихся двойных связей. Поэтому организмы, развивающиеся на ярком свету, например, в высокогорных лишайниках, часто ярко окрашены.
Токсическое действие света нередко обусловлено фотохимическим образованием токсичных форм кислорода, особенно радикала гидроксила. При дыхании происходит последовательное восстановление молекулы О2:
О2 + ē = О2"
О2" - супероксид, образуется при окислении флавинами, флавопротеинами, хинонами, тиолами, железосерными белками; разлагается супероксиддисмутазой (СОД) по реакции: 2О2- + 2Н+ = Н2О2 + О2;
Н2О2 - перекись водорода: О2- + ē + 2Н+ = Н2О2
Разлагается пероксидазами, например, по реакции:
Н2О2 + НАДН2 = 2Н2О + НАД+
Или под действием каталазы разлагается с выделением О2 по реакции:
2Н2О2 = 2Н2О + О2;
ОН*- радикал гидроксила, неэнзиматический окислитель:
Н2О2 + ē = Н2О + ОН*
Восстанавливается до воды: ОН* + ē + Н+ = Н2О.
Восстановление О2 осуществляется под действием ферментов оксидаз с наиболее важной из них цитохромоксидазой, представленной цитохромами а, о. Вовлечение кислорода в реакцию окисления веществ обусловлено действием ферментов оксигеназ, реагирующих либо с обоими атомами в молекуле О2, как диоксигеназы, либо лишь с одним, как монооксигеназы, и использующих для преодоления барьера активации внутренний восстановитель, например, НАДН. Под действием монооксигеназ один атом О2 дает воду, а второй - гидроксильную группу (-ОН), например, при окислении углеводородов.
Неполностью восстановленные соединения кислорода токсичны вследствие высокой реакционной способности, и такие интермедиаты в клетке подлежат детосикации с использованием серии ферментов, как супероксиддисмутаза (СОД), пероксидаза, каталаза. Токсичность О2 для организмов, не обладающих такими ферментами, обусловлена формированием реакционноспособных интермедиатов и вызывает гибель облигатных анаэробов на воздухе. Токсические свойства соединений кислорода реализуются в пищеварительной вакуоли фагоцитов, где генерируются перекись водорода, синглетный кислород, а миелопероксидаза продуцирует гиперхлорид НСlО.
Озон O3 высокотоксичен, и озонирование воды употребляется в питьевом водоснабжении, а Н2О2 – известное обеззараживающее средство.
Таблица 1. Отношение микроорганизмов к молекулярному кислороду
| Группа микроорганиз-мов | Отношение к кислороду | Тип метаболизма | Пример | Местообитание |
| Аэробы | ||||
| Облигатные | Требуют | Аэробное дыхание | Micrococcus luteus | Кожа, пыль |
| Факультативные | Не требуют, но растут лучше при наличии О2 | Аэробное или анаэробное дыхание или брожение | E. coli | Толстый кишечник |
| Микроаэрофилы | Требуют, но в концентрации ниже атмосферной | Аэробное дыхание | Spirillum volutans, Beggiatoa spp. | Озёрная вода |
| Анаэробы | ||||
| Аэротолерантные | Не требуют, но наличие О2 рост не стимулирует | Брожение | Streptococcus pyogenus | Верхние дыхательные пути, молочные продукты |
| Облигатные | Угнетает рост или приводит к гибели | Брожение и анаэробное дыхание | Метаногены, сульфидогены, ацетогены | Илы, болота, метантенки |
Среди прокариот существуют значительные различия в отношении к молекулярному кислороду. По этому признаку они могут быть разделены на несколько групп:
1. Аэробы нуждаются в кислороде для дыхания.
a. Среди них облигатные аэробы используют только О2 как акцептор электрона.
b. Микроаэрофилы требуют при этом пониженной концентрации О2.
c. Факультативные анаэробы могут переходить от дыхания кислородом к анаэробиозу.
2. Анаэробы подразделяют на облигатные и аэротолерантные.
a. Обладая метаболизмом только анаэробного типа аэротолерантные анаэробы могут расти в присутствии воздуха.
b. Облигатные анаэробы чувствительны к токсическому действию О2 и не только развиваются в условиях аноксии, но и требуют восстановительной обстановки.
На рис. 3 показано использование тиогликолята для демострации потребности в кислороде. Тиогликолят является восстановительной средой, что может создать градацию содержания кислорода. Концентрация кислорода является самой высокой в верхней части колбы и отсутствует в более глубоких областях. Когда ряд колб прививается бактериями, которые отличаются потребностью в кислороде, относительное положение роста дает некоторые указания их адаптации к использованию кислорода.
Следует заметить, что все аэробы относятся к организмам, трофически зависящим от оксигенных фотосинтетиков, но этот факт маскируется большим резервуаром О2 в воздухе, накопившимся за последний 1 млрд. лет до концентрации 21% в атмосфере. Бактерии используют растворенный О2, и поэтому зависят от обмена водной среды своего обитания с воздухом. Определяющим для аэробов служит транспорт газов между атмосферой и водой. С другой стороны, поскольку О2 образуется при фотосинтезе, аэробные организмы, если они находятся в непосредственной близости от водорослей или цианобактерий, периодически в дневное время могут оказываться в условиях 100%-ного содержания О2. Многие аэробные бактерии могут формировать колонии на поверхности твердой питательной среды в атмосфере, содержащей 40 % О2, но рост их прекращается, когда содержание О2 в атмосфере повышается до 50 %. Потребность в О2 у аэробов определяется его участием в энергетических и конструктивных процессах. В первом случае О2 служит обязательным конечным акцептором электронов, во втором — участвует в реакциях (или единственной реакции) на пути многоступенчатого преобразования клеточных метаболитов или экзогенных субстратов.
Облигатные (обязательные) аэробы - прокариоты, для роста которых О2 необходим. Они могут использовать газообразный кислород в метаболизме и обладают ферментами, необходимыми для обработки токсичных производных кислорода. К ним относится большинство прокариотных организмов. Среди облигатных аэробов существуют значительные различия в устойчивости к высоким уровням О2 в среде. 100%-й молекулярный кислород подавляет рост всех облигатных аэробов. У облигатных аэробов большая часть О2 используется в качестве конечного акцептора электронов в реакциях, катализируемых цитохромоксидазами. Меньшая часть включается в молекулы с помощью оксигеназ. В клетках факультативных анаэробов также содержатся цитохромоксидазы.
Микроаэрофилы – облигатные аэрофилы, но не способны к росту при концентрации О2, равной атмосферной, и могут расти, если содержание О2 в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2%). Потребность прокариот в низкой концентрации О2 в окружающей среде связана с их метаболическими особенностями. Многие аэробные азотфиксирующие бактерии могут расти в среде с молекулярным азотом только при концентрации О2 ниже 2%, т.е. как микроаэрофилы, а в присутствии связанного азота, например аммонийного, — на воздухе. Это объясняется ингибирующим действием молекулярного кислорода на активность нитрогеназы — ферментного комплекса, ответственного за фиксацию N2. Аналогичная картина обнаружена у многих водородокисляющих бактерий. На среде с органическими соединениями в качестве источника энергии они хорошо растут при атмосферном содержании О2. Если источником энергии является окисление молекулярного водорода, эти же бактерии для роста требуют низкой концентрации О2. Последнее связывают с инактивацией молекулярным кислородом гидрогеназы — фермента, катализирующего использование Н2.
К микроаэрофилам относят также капнофилов – тип экстремофилов, которым для своей жизнедеятельности требуется углекислый газ в концентрации большей, чем обычно присутствует в атмосфере (0,033%). СO2 является важным питательным веществом для автотрофов, которые используют его для синтеза органических соединений. Хотя всем микробам необходим диоксид углерода в метаболизме, капнофилы лучше всего растут при более высокой концетрации CO2 (3-10%). Это важно для начальной изоляции 
некоторых патогенных микроорганизмов из клинических образцов, в частности, Neisseria (гонорея, менингит), Brucella, и Streptococcus pneumoniae. Инкубация проводится в СO2-инкубаторе (см. рис. ХХХ), который обеспечивает правильную концентрацию CO2.
Облигатные анаэробы – прокариоты, для метаболизма которых О2 не нужен, т.е. энергетические и конструктивные процессы у них происходят без участия молекулярного кислорода. К ним относятся метанобразующие архебактерии, сульфатвосстанавливающие, маслянокислые и некоторые другие эубактерии. До сравнительно недавнего времени считали, что облигатные анаэробы могут получать энергию только в процессе брожения. В настоящее время известно много облигатно анаэробных прокариот, которые произошли от аэробов в результате вторичного приспособления к анаэробным условиям, приведшего к потере способности использовать О2 в качестве конечного акцептора электронов в процессе дыхания. Такие облигатные анаэробы получают энергию в процессах анаэробного дыхания, т.е. переноса электронов по цепи переносчиков на СО2, SO42-, фумарат и другие акцепторы. У облигатных анаэробов нет ферментов, катализирующих взаимодействие с О2.
В ряду облигатно анаэробных прокариот, не включающих О2 в метаболические реакции, существует широкий спектр степени устойчивости к молекулярному кислороду, находящемуся во внешней среде. Многие из облигатных анаэробов не выносят присутствия даже незначительных количеств молекулярного кислорода в среде и быстро погибают. Такие организмы называют строгими анаэробами. К числу строгих анаэробов относятся представители родов Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methanobacterium и др. Маслянокислые бактерии относятся также к группе облигатных анаэробов, но среди них есть виды, умеренно (Clostridium tetanic С. carnis, С. tertium, С. sporogenes) или достаточно высоко (С. perfringens, С. acetobutylicum) толерантные к О2.
Выращивание строго анаэробных бактерий обычно требует специальных методов инкубации и обработки камеры, которые исключают кислород. На рис. 4 показаны специальные системы для выращивания анаэробов.
Молочнокислые бактерии, обладающие метаболизмом только анаэробного типа, могут расти в присутствии воздуха и выделены в отдельную группу аэротолерантных анаэробов. Хотя облигатно анаэробные бактерии в целом очень чувствительны к О2, они могут в природе находиться в аэробных зонах. Широкое распространение представителей рода Clostridium в местах с высоким парциальным давлением О2 объясняется наличием у них эндоспор, не чувствительных к молекулярному кислороду. Однако и многие не образующие спор строго анаэробные прокариоты обнаружены в природе в местах, где наблюдается активное развитие облигатных аэробов. Вероятно, совместное развитие с облигатными аэробами, активно потребляющими молекулярный кислород, приводящее к образованию зон с низкой концентрацией О2, создает возможности и для развития строго анаэробных видов.
Описаны прокариотные организмы, которые могут расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Изучение этого явления показало, что природа его различна. Бактерии, не нуждающиеся в О2, но способные расти в его присутствии, являются по типу осуществляемого ими метаболизма облигатными анаэробами, устойчивыми к О2 внешней среды. Примером таких организмов служат молочнокислые бактерии. Многие прокариоты, относящиеся к этой же группе, приспособились в зависимости от наличия или отсутствия О2 в среде переключаться с одного метаболического пути на другой, например с дыхания на брожение, и наоборот. Такие организмы получили название факультативных анаэробов, или факультативных аэробов. Представителями этой физиологической группы прокариот являются энтеробактерии. В аэробных условиях они получают энергию в процессе дыхания. В анаэробных условиях источником энергии для них служат процессы брожения или анаэробного дыхания.