Микроорганизмы и важнейшие физические факторы среды обитания

Константиновна, к.б.н., доцент
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное

образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра биохимии и микробиологии

УФ и ионизирующего излучения.

Радиорезистентность микроорганизмов и ее молекулярные механизмы.

свет
- ультрафиолет
- ионизирующие излучения

Химические

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).

Действие ультразвуковых волн

длины волны излучения и его дозы, т.е. от энергии и

количества поглощенных квантов.

Важнейшим источником естественного излучения является солнечная радиация.

© http://otravleniya.net/izluchenie/solnechnaya-radiatsiya.html

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

Действие излучений различных диапазонов

оснований и мутации сдвига рамки (450 нм) (Escherichia coli)
Фотолиз клеток

(410 нм, 550 нм) (Myxococcus xanthus)
Взаимодействие с фотосенсибилизаторами

Действие света

Видимый свет

Действие видимого света

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)

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.

Действие видимого света

освещенности, «усваивать» свет периодически или только в определенных условиях.
Водоросли и

цианобактерии

Зеленые и пурпурные бактерии

Пурпурные серобактерии

Действие видимого света

©http://micro.moy.su/publ/obshhaja_mikrobiologija/fototrofnye_bakterii_i_fotosintez/rasprostranenie_fototrofnykh_bakterij/15-1-0-152

© http://www.ipages.ru/index.php?ref_item_id=9209&ref_dl=1

Идет без выделения О2.
Оксигенный
Фотосинтез
– преобразование фототрофными микроорганизмами солнечной энергии в

биохимически доступную. Способность к фотосинтезу определяется наличием пигментов.

Фотосинтез

реакция подвижных микроорганизмов в ответ на световой стимул.
Положительный фототаксис-движение

к свету, отрицательный-наоборот.

Фотокинез – изменение скорости движения бактерий в ответ на изменение силы света.

Фототаксис

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»).

© http://bse.sci-lib.com/article117274.html

действует как аттрактант, а синий, как репеллент.
Пигменты активны в диапазоне

длин волн примерно от 450 до 600 нм

Красный свет

Синий свет

поглощение света
преобразование стимула и передача сигнала двигательному аппарату
изменение движения жгутиков

Механизмы фототаксиса

© http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/15053.html

актиномицеты, и др.). Изменение количества хлорофиллов в ответ на изменение

интенсивности света, фикобилинов и каротиноидов – на изменение спектрального состава света.

Окраска галобактерий обусловлена наличием каротиноидов, которые защищают клетку от фотоповреждения

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.

Фотохромность

© http://biosnano.com/H.sal.ru.pdf

© https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Rhodobacter

каротиноидных пигментов.

© http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/lifesci/research/hodgsongroup/

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

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

световых волн
Различия в спектрах поглощения отдельных представителей фототрофных бактерий имеют

экологическое значение, позволяя развиваться им в одних и тех же местах.

© http://plant.geoman.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st011.shtml

© http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5058.html

длины волны света, попадающего на земную поверхность около 290 нм)

УФ

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).

ДНК.
Гидроксилирование цитозина и урацила.
Образование цитозин-тиминовых аддуктов.
Образование сшивок ДНК с белками.
Разрывы

цепей и денатурация ДНК.
Формирование поперечных сшивок ДНК.

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.

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

© http://bv-prof.ru/public/pdf/Repaskin.pdf

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.

Механизмы повреждающего действия ионизирующего излучения

радиоактивные минералы).
Вторичные космические лучи.
Искусственные ионизирующие излучения: работа АЭС, испытания ядерного

оружия и др.

Механизмы повреждающего действия ионизирующего излучения

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.

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.