Физиология микроогранизмов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Биолого-почвенный  факультет

Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры биохимии и микробиологии РГУ Протокол № _________ «_____» _____________200  г. Зав. кафедрой ______________________

УТВЕРЖДАЮ Декан факультета (Зам. Декана по учебной работе) _______________________________ _______________________________ «_____» _____________________200  г.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Учебной дисциплины

«ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ»

вузовского компонента цикла СД

по  специальности 020201 (011600) БИОЛОГИЯ

 

 

 

 

 

 

 

Составитель канд.биол.наук доцент А.В.Полякова

 

Ростов-на-Дону

2007

 

1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

 

1. Цель курса

Познакомить студентов с работами Луи Пастера в области физиологии брожения и медицинской микробиологии, изучить  основы  физиологии роста, физиологии питания и физиологи  стресса.

 

2. Задачи курса

Изучить параметры роста  микроорганизмов, основные методы культивирования бактерий и их классификацию, сравнить рост популяции при периодическом и непрерывном культивировании. Познакомить студентов с основами физиологии питания прокариот, потребностями в питательных веществах, метаболическим разнообразием микроорганизмов, энергоснабжением прокариот. Изучить механизмы транспорта веществ в клетку и выживаемости микроорганизмов в стрессовых условиях.

 

3.Место  курса в профессиональной подготовке  выпускника

Специальный курс «Основы  физиологии микроорганизмов» базируется на знаниях, полученных студентами при прослушивании общих курсов «Микробиология», «Биохимия» и спецкурсах «Введение в специальность» и «Функциональная морфология микроорганизмов». Полученные знания послужат основой для изучения спецкурсов «Антибиотики», «Пищевая микробиология», «Техническая микробиология», курса «Биотехнология».

 

4.Требования  к уровню освоения содержания  курса

По завершении прохождения  специального курса студент должен владеть соответствующим понятийным аппаратом и иметь представление о методах культивирования, индивидуальном росте и росте популяций, особенностях питания прокариот, способности микроорганизмов выживать в экстремальных условиях среды.

 

II СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

 

Предмет и задачи физиологии микроорганизмов.

Краткий исторический очерк. Физиологический  период в микробиологии. Работы Луи  Пастера в области физиологии брожения и в области медицинской  микробиологии. Физиологическая специфичность  микроорганизмов.

Послепастеровский период в развитии физиологии микроорганизмов. Вклад отечественных ученых Виноградского С.Н., Омелянского В.Л.,Мечникова И.И., Таусона В.О., Шапошникова В.Н., Иерусалимского Н.Д., Работновой И.Л. и других. Работы зарубежных ученых в области физиологии микроорганизмов.

 

Физиология роста

 

Понятия «рост», «размножение», «развитие». Способы размножения  прокариот. Рост индивидуальной клетки и популяции. Прямые и косвенные методы оценки роста.

Основные  методы посева: поверхностный и глубинный. Способы создания аэробных и анаэробных условий в лаборатории.

Параметры роста (Перт, Иерусалимский, Моно, Печуркин). Скорость роста (абсолютная и удельная), скорость деления, время генерации, время удвоения биомассы, урожай биомассы. Зависимость между скоростью  роста и концентрацией субстрата, уравнение Моно-Иерусалимского. Константа ингибирования и константа насыщения.

Эффективность процессов роста микроорганизмов. Показатели энергетики роста: экономические  и молярные коэффициенты, коэффициент  поддержания. Энергетические затраты  клетки и анаболизм, изучение скорости роста и биосинтеза. Несопряженный рост, его причины.

Методы культивирования микроорганизмов. История вопроса.

Периодическое культивирование. Кривая роста, характеристика фаз, причины, определяющие их продолжительность. Сбалансированный рост. Диауксия. Гетерогенность микробной популяции. Синхронные культуры, методы синхронизации.

Первичный и вторичный метаболизм. Первичные  и вторичные метаболиты. Физиологическая  роль вторичных метаболитов. Трофофаза  и идиофаза. Кометаболизм.

Непрерывное культивирование. Скорость протока (коэффициент разбавления). Хемостат – как саморегулирующаяся система. Турбидостат. Отличия в работе хемостата и турбидостата, аппаратурное оснащение хемостатного и турбидостатного культивирования. Нестационарные состояния при непрерывном культивировании (дробная подача питательных веществ, импульсная подача кислорода и т.д.). Применение методов  непрерывного культивирования в народном хозяйстве, его перспективы.

Классификация методов культивирования: периодическое (статическое, динамическое), непрерывное (аппараты идеального смешения, полного вытеснения и т.д.), полунепрерывное (продленные методы культивирования).

 

Физиология питания

 

Потребности микроорганизмов в питательных  веществах (микро-, макроэлементы, органогены, ростовые факторы). Прототрофы, ауксотрофы, олиготрофы, копиотрофы, паратрофы. Элективные среды, накопительные культуры.

Основные  источники азота (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы). Источники углерода (органические источники, СО₂, предельные восстановленные соединения). Автотрофы (фотосинтетики, хемосинтетики). Гетеротрофы (сапрофиты, паразиты).

Метаболическое  разнообразие прокариот. Основы биоэнергетики  микроорганизмов, взаимосвязь энергетических и конструктивных процессов. Энергоснабжение  прокариот. Брожения. Пути катаболизма гексоз (гликолиз, пентозофосфатный путь, схема Энтнера-Дудорова, фосфокетолазный путь). Схема дыхания, цикл трикарбоновых кислот. Аэробное и анаэробное дыхание. Цепи переносчиков электронов. Механизмы фосфорилирования. Прямой и обратный перенос электронов. Пировиноградная кислота – как центральный метаболит углеводного, липидного и белкового обмена.

Первые  представления о типах трофии микроорганизмов. Современная классификация  типов  питания бактерий. Хемолитотрофия – как уникальная физиологическая  функция прокариот.

Клеточная поверхность микроорганизмов. Строение, химический состав и функции клеточной  стенки и цитоплазматической мембраны.

Внеклеточное переваривание. Экзоферменты, физиологическая роль в клетке. Индуцибельные  и конститутивные ферменты.

Транспорт веществ в клетку: простая  диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, транслокация групп. Транспортные белки, связывающие белки. Энергетическое обеспечение транспортных процессов. Фосфотрансферазная система. Транспорт  железа.

 

Физиология стресса

 

Выживаемость микроорганизмов. Особые «экологические» ниши, «экстремофилы» (психрофилы, термофилы, галофилы, ацидофилы  и другие). Особенности физиологии, механизмы адаптации к действующим  факторам.

 

2.Перечень примерных  контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы

• физиологический период в микробиологии
• работы Луи Пастера
• послепастеровский период в развитии физиологии микроорганизмов
• размножение бактерий
• аэробы и анаэробы
• периодическое культивирование
• кривая роста, характеристика фаз
• хемостатное и турбидостатное культивирование
• потребности микроорганизмов в питательных веществах
• классификации питательных сред
• накопительная и чистая культура микроорганизмов
• бактериальный фотосинтез, фотофосфорилирование
• схема гликолиза, энергетический выход
• реакции цикла трикарбоновых кислот
• брожение и дыхание
• строение цитоплазматической мембраны и ее функции
• структура и функции клеточной стенки бактерий
• ферменты, физиологическая роль в клетке
• механизмы транспорта веществ в клетку

 

3. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу
• Луи Пастер – основоположник физиологии микроорганизмов
• работы Пастера в области медицинской микробиологии
• понятие роста, прямые и косвенные методы оценки роста
• способы размножения прокариот
• параметры роста
• периодическое культивирование, кривая роста
• непрерывное культивирование, отличия хемостата от турбидостата
• полунепрерывные методы культивирования
• потребности микроорганизмов в питательных веществах, принцип элективности
• типы питания  прокариот
• источники углерода и азота, используемые микроорганизмами
• внеклеточное переваривание, значение процесса
• механизмы транспорта веществ в клетку
• пути метаболизма гексоз (биохимическая схема, энергетический выход)
• дыхание: биохимия и энергетика процесса

 

III РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ КУРСА ПО ТЕМАМ И ВИДАМ РАБОТ

 

№	Наименование тем и  разделов	Всего часов (трудоемкость)	Аудитор. занятия (час). в  т.ч.		Сам. работа
			Лекции	Сем.
1.	История вопроса. Физиологический  период  развития микробиологии.	3	2	1	2
2.	Рост и размножение  у бактерий. Методы оценки роста.	3	2	1	2
3.	Параметры роста.	4	2	2	3
4.	Методы культивирования  микроорганизмов. Периодическое и  непрерывное культивирование.	4	2	2	2
5.	Физиология питания (типы питания, источники углерода, азота, микроэлементы, дополнительные факторы).	4	1	3	3
6.	Механизмы транспорта веществ  в клетку.	6	3	3	3
7.	Энергетический обмен  прокариот.	6	3	3	5
	Итого	30	15	15	20

Форма текущего и промежуточного контроля – семинарские занятия и контрольные  работы. Форма итогового контроля – зачет.

 

IV УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА

 

Литература

 

Основная

1. .Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология.- М.: Изд-во МГУ, 1992. –448с.
2. Гутина В.Н. Очерки по истории физиологии микроорганизмов. – М.: Наука, 1988. – 200с.
3. Общая микробиология. / Под ред. Проф. А.Е.Вершигоры. – К.: Выща шк., 1988. –343с.
4. Шлегель Г. Общая микробиология. – М.: Мир,1987. – 567с.

 

Дополнительная

1. Готтшалк Г. Метаболизм бактерий. – М.: Мир, 1982. – 310с.
2. Елинов Н.П. Химическая микробиология. – М.: Высшая школа, 1989. – 448с.
3. Ждан-Пушкина С.М. Основы роста культур микроорганизмов.- Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1983. – 188с.
4. Печуркин Н.С., Брыльков А.В., Марченкова Т.В. Популяционные аспекты биотехнологии. – Новосибирск,: Наука, 1990. –173с.
5. Промышленная микробиология. / Под ред. Н.С.Егорова. – М.: Высш. шк., 1989. – 688с.
6. Работнова И.А., Позмогова И.Н. Хемостатное культивирование и ингибирование роста микроорганизмов. – М.: Наука. 1979. – 208с.
7. Ферментационная аппаратура. / Под ред. Виестура У.Э. – Рига.: Зинатне. 1980. – 162с.

 

 

 

Календарно-тематический план спецкурса «Физиология микроорганизмов»

 

1. Физиологический период развития микробиологии.  Работы Луи Пастера в области физиологии брожений. – 2 ч.
2. Послепастеровский период в изучении физиологии микроорганизмов. Работы русских ученых в этой области. Понятие роста. – 2 ч.
3. Размножение у бактерий. Методы оценки роста популяции. – 2 ч.
4. Основные параметры роста (абсолютная и удельная скорость роста, скорость деления , время генерации, урожай клеток ,время удвоения биомассы). Уравнение Моно-Иерусалимского. – 2 ч.
5. Экономическая эффективность ростовых процессов (экономические коэффициенты, коэффициенты поддержания). Несопряженный рост. – 2 ч.
6. Классификация методов культивирования микроорганизмов. Создание аэробных и анаэробных условий в лаборатории. – 2ч.
7. Периодическое и непрерывное культивирование. – 2 ч.
8. Пищевые потребности прокариот. Использование источников углерода и азота микроорганизмами.- 2 ч.
9. Классификация питательных сред. Типы питания прокариот. – 2 ч.
10. Оболочки микроорганизмов. Особенности строения цитоплазматической мембраны прокариот. – 2 ч.
11. Механизмы транспорта веществ в клетку. Энергоснабжение этих процессов. – 2 ч.
12. Транспорт железа у микроорганизмов. Внеклеточное пищеварение, локализация экзоферментов. – 2 ч.
13. Катаболизм бактерий. Пути расщепления пировиноградной кислоты. – 2ч.
14. Брожение и дыхание – особенности процессов. Аэробное и анаэробное дыхание. – 2 ч.
15. Энергетический баланс катаболических процессов. – 2 ч.