Шпаргалка по "Биологии и медицине"

6. Химический состав липидов плазмалеммы. Например, липиды с простыми эфирными связями характерны для архей. Необычные липиды, например, свойственные для эукариот сфинголипиды, обнаружены в таксонах бактерий: отдел Bacteroidetes, кл. Sphingobacteria; отд. Proteobacteria, пор. Sphingomonadales.

7. Аминокислотные последовательности  белков-компонентов электронтранспортных  цепей – цитохромов – служат маркерами в филогенетической систематике бактерий.

8. Переносчики электронов  – хиноны (соединения, имеющие 1-2-3 ароматических кольца в сочетании  с 2-мя C=O ‒ группами). Например, пластохиноны найдены только у цианобактерий. Родохиноны обнаружены только в отделе Proteobacteria.

9. Порфириновые пигменты. Примеры: хлорофилл a свойственен только для цианобактерий, бактериохлорофилл a встречается в отделах Proteobacteria, Chlorobi, Chloroflexi. Никельсодержащий порфирин содержится у метаногенных архей.

С использованием хемотаксономического подхода описаны, например, такие таксоны: сем. Halobacteriaceae – маркерами семейства служат липиды со сложноэфирными связями, хиноны и полярные липиды. Enterobacteriaceae – маркерами семейства служат определенные жирные кислоты, хиноны и полярные липиды.

 

16. Нумерическая таксономия бактерий. Нумерическая (численная) таксономия, или фенетика – это объединение организмов в группы на основе большого количества фенетических (фенотипических) признаков, каждый из которых рассматривается как равноправный (невзвешенный). Конечная цель – объединение видов или штаммов в группы на основе математически определяемых расстояний (кластеризация). Для сравнения таксонов берут наибольшее число из возможных признаков. Сходство между таксонами будет пропорционально доле общих признаков. При этом объединение объектов в группы идет независимо от их филогении. Нумерическая таксономия помогла в усовершенствовании таксономии таких родов бактерий, как Bacillus, Mycobacterium, Vibrio. Объектами классификации являются операционные таксономические единицы; для бактерий ОТЕ выступают штаммы. Этапы нумерической классификации таковы: выбор ОТЕ, кодирование признаков (в большинстве случаев бинарно – 0 или 1), составление матрицы признаков, кластерный анализ матрицы с ординацией ОТЕ в 2-х (дендрограмма) или 3-мерном пространстве. В результате штаммы объединяются в таксовиды, представляющие отчетливый кластер при ординации.

Фенотипические признаки, используемые при идентификации  бактерий до группы. Фенотипические признаки имеют свою иерархию, т.е. тот порядок, в котором они берутся в  процессе определения бактерий до группы.

A. Морфология.

1. Форма клетки / наличие  выростов на клетке (простеки, стебельки,  нити, ленты).

2. Тип деления (почкование  клеток). 3. Наличие чехлов, окружающих  клетки.

4. Образование плодовых  тел. 5. Образование эндоспор.

Б. Физиология.

6. Подвижность / расположение  жгутиков.

7. Отношение к кислороду.

8. Тип движения (скользящее  движение). Скользящее движение –  передвижение по твердому субстрату  без помощи жгутиков.

9. Тип питания, например:

a) осуществление оксигенного/аноксигенного  фотосинтеза;

б) хемолитотрофия;

в) облигатный внутриклеточный  паразитизм;

г) роль соединений серы в  обмене веществ (напр., использование  серы или ее окисленных соединений в качестве конечного акцептора  электронов);

д) образование метана из водорода и углекислого газа;

е) сульфатредукция –  образование сероводорода из сульфата.

9. Развитие в экстремальных  условиях:

а) в условиях экстремального засоления;

б) экстремальная термофилия

17. Молекулы в качестве филогенетических маркеров. Впервые использование первичной структуры клеточных макромолекул для целей классификации организмов предложили Цукеркандль и Полинг в 1965 г. (Zuckerkandl, Pauling). При этом биомолекулы-носители информации делятся на 1) семантиды (семантофорные молекулы). Первичные семантиды – ДНК, вторичные семантиды – РНК, третичные семантиды – белки. Это значит, что последовательности мономеров в макромолекулах рассматриваются как исторический документ эволюции. 2) эписемантиды – продукты катализа ферментами – хемотаксономические маркеры; редко рассматриваются как полезные для эволюционных построений, т.к. могут быть продуктами катализа неродственными ферментами.

Молекулярная филогения  полагает, что эволюционная история  организмов записана в структуре  их семантид. Задача молекулярной филогении, кроме того, выделить группы ныне живущих  организмов, имеющих общего предка, и определить время, прошедшее со времени дивергенции от ближайшего общего предка.

Причем для определения  положения таксона в эволюции необходимо брать гомологичные семантиды. Филогенез определяется количеством  и качеством различий в гомологичных семантидах. При этом любая последовательность состоит из доменов, консервативных в большей или меньшей степени, и данные домены значимы для реконструкции  эволюции на разном таксономическом  уровне, от вида до отдела. Вариабельные участки свидетельствуют о поздних  эволюционных событиях (ближнем родстве), консервативные – о ранних (дальнем  родстве).

Высоко консервативными  белок-кодирующими участками генома, которые используются в филогении  бактерий, являются:

1) Ген ДНК-гиразы.

2) Гены субъединиц РНК-полимеразы.

3) Гены факторов элонгации.

4) Гены субъединиц АТФазы.

Основной проблемой филогенетического  анализа на основе белок-кодирующих последовательностей является отсутствие данных о соответствии «рибосомальной»  эволюции и эволюции белок-кодирующих генов.

Основными семантидами, которые  используются в филогенетической систематике  бактерий, служат (1) 16S рДНК, (2) 23S (=25S) рДНК. В этих семантидах содержатся константные, менее консервативные и высоко вариабельные области (домены). Наличие многих копий  рДНК в клетке позволяет использовать для амплификации ее фрагментов небольшое  количество биологического материала. При анализе смешанной популяции  бактерий полученную смесь фрагментов рДНК разделяют путем клонирования.

18.Роль алгоритма в построении филогенетического дерева. Достоверность топологии.

Графической иллюстрацией эволюционной истории служит филогенетическое дерево. Элементами дерева являются внутренние узлы, терминальные точки, или узлы (=ОТЕ), ребра (ветви). Для каждой пары узлов существует путь – серия  узлов, соединенных ветвями.

  Деревья строятся несколькими основными методами, основанными на кластерном анализе (попарных расстояний), либо теории вероятности (максимальной экономии, максимального правдоподобия, постериорной вероятности).

Достоверность (качество) такого дерева зависит от (1) корректности выравнивания, (2) корректности выбора метода построения дерева на основе матрицы данных. Нередко  сомнительные участки сиквенсов (высоковариабельные) исключаются из анализа.

Общая закономерность построения деревьев такова: при большой филогенетической дистанции между ветвями способ построения слабо влияет на топологию (порядок ветвления), при малой  – может быть множество вариантов  топологии, зависимых от метода построения.

Более достоверной считается  построение филогении не на основе одной молекулы (16S), а нескольких, т.е. на основе нескольких функционально  независимых генов.

              Результаты применения филогенетической  классификации к некоторым традиционным  таксонам бактерий (пример: Pseudomonas).

Сложную филогенетическую структуру  имеют отделы: Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria. Несколько недавно  открытых отделов бактерий и архей  определены на основе единственного  вида.

Количество родов бактерий по наиболее дробной классификации  достигает около 1000. Из них для 80 родов до сих пор не установлено  отчетливое филогенетическое родство. Многие из таких родов помещены в  отдел Proteobacteria. Некоторые крупные  роды бактерий являются филогенетически  разнородными. К ним относятся Pseudomonas, Bacillus, Clostridium.

19. Колоссальная значимость в формировании биосферы древнейших прокариотических организмов планеты — бактерий связана с разнообразием способов их питания. Среди них есть фото- и хе-моавтотрофы, фото- и хемогетеротрофы. Основная роль бактерий в биосфере состоит в том, что они осуществляют заключительные стадии разложения мертвого органического вещества (путем окисления, гниения, брожения и т.п.) до минеральных компонентов, обусловливая их возвращение в биологический круговорот. Благодаря редуцентной функции бактерий количество биомассы живого вещества на планете относительно постоянно. Бактерии быстрее организмов других групп приспосабливаются к меняющимся условиям среды обитания. Вторая группа прокариотических организмов — цианобактерии — так же, как и бактерии, обладают большой приспособляемостью и жизнестойкостью. Они встречаются во влажных местообитаниях суши, водоемах, горячих источниках и т.д. Для них характерны авто- и гетеротрофный способы питания. Большинство цианобактерии — фототрофы. При фотосинтезе они, подобно растениям, образуют кислород. Способность многих видов цианобактерий фиксировать молекулярный азот атмосферы позволяет им развиваться в массовых количествах в водоемах, бедных соединениями азота. Снабжение азотом эукариотических организмов на 90% обеспечивается азотфиксирующими прокариотами. Именно поэтому они могут поселяться там, где нет почвы, подготавливая бесплодный прежде субстрат для поселения эукариотических организмов. В качестве автотрофного компонента они вступают в сообщество с грибом, образуя лишайники.

20. Включает 87 родов. Филогенетически разнообразный отдел, включает 8 классов, из них 4 представляют «пучок» близкородственных классов.Окраска по Граму: в зависимости от наличия псевдомуреина в клетке окрашиваются как грамположительно, так и грамотрицательно.

Формы клеток: ланцетовидные, спиралевидные, дисковидные, палочки, кокки. Клеточная стенка имеется  или отсутствует у термоплазм.

Физиология: источник углерода и энергии для развития – углеводы, спирты, карбоновые кислоты.

Основные физиологические  группы:

(1) Метаногены – строгие анаэробы, способные образовывать метан (СO2 является акцептором электронов и восстанавливается до метана). Источником углерода может быть углекислый газ (хемоавтотрофы), карбоновые кислоты, метанол (хемогетеротрофы). Источником энергии – водород. Псевдомуреин в клеточных стенках имеется или отсутствует. Места обитания (анаэробные): марши, эстуарии, обводненные почвы, илы. Необычный образ жизни многих архей  можно показать на примере организма Methanococcus jannaschii (кокки неправильной формы). Он обитает в океане на глубине до 2600 м, в гидротермальных источниках при температуре +48…+94ºС, с оптимумом 85ºС, и является метаногенным – синтезирует метан из водорода и углекислого газа.

(2) Экстремальные галофилы – грамположительные или грамотрицательные, аэробные или факультативно анаэробные, хемоорганотрофы, нейтрофилы и алкалофилы, мезофилы и умеренные термофилы (около +55С). Колонии окрашены в красный цвет за счет каратиноидных пигментов в клетках. Оптимальная концентрация NaCl – 2-4 M. Некоторые виды способны к светозависимому синтезу ATФ с помощью бактериородопсина.

(3) Термоплазмы (1 род Thermoplasma) – клетки плеоморфные, от сферической до нитевидной формы, грамотрицательны, окружены только фосфолипидной мембраной. Облигатные термофилы и ацидофилы. При нейтральной pH клетки лизируются. Хемоорганотрофы. Обитают: кислые сольфатарные поля, угольные отвалы.

(4) Сульфатвосстанавливающие – восстанавливают сульфаты до сероводорода. Строгие анаэробы, экстремальные термофилы (выше +92С). Хемолитотрофы, хемоорганотрофы, хемомиксотрофы. Обитают: мелко- и глубоководные морские гидротермальные экосистемы.

(5) Экстремальные термофилы, метаболизирующие серу – грамотрицательны, хемоавтотрофы и гемогетеротрофы. В анаэробных условиях восстанавливают серу до сероводорода, в аэробных – окисляют серу или сероводород до серной кислоты. Оптимальная температура роста – 70-105 С. Местообитания: континентальные сольфатарные поля, морские гидротермальные системы.

 

21. 1. Отдел Кренархеота - Crenarchaeota.

 Включает 28 родов, относящихся к одному классу – Thermoprotei.

Окраска по Граму: отрицательная.

Морфология клеток у них  разнообразна – палочки (Thermoproteus), нити, кокки (Desulfococcus, Sulfolobus), дисковидные клетки, подвижные либо неподвижные.

Физиологические группы: хемоавтотрофы, хемогетеротрофы. В основном отдел  включает серозависимые прокариоты. В анаэробных условиях восстанавливают элементарную серу (S⁰) до сероводорода. В аэробных условиях окисляют сероводород или S⁰ до серной кислоты.

Отношение к кислороду: Строгие  анаэробы, факультативные анаэробы, аэробы.

Отношение к температуре: в основном гипертермофилы. Способны расти при температурах, в зависимости от вида, в интервале 70-133С.

Основной тип местообитаний  – морские гидротермальные экосистемы.

Характерные представители: Thermoproteus, Sulfolobus (кокки неправильной угловатой формы), Desulfococcus.

3. Отдел  Корархеота – Korarchaeota (синоним: Xenarchaeota)

Особенности генома: анализ 16S рРНК показывает, что корархеоты – это рано отделившаяся на филогенетическом дереве (deeply-branching) линия развития, отличная от Crenarchaeota и Euryarchaeota. Анализ генома одного из видов корархеот, который был получен путем обогащения смешанной культуры, выявил ряд черт, указывающих на сходство как с Crenarchaeota, так и с Euryarchaeota.

Местообитания: представители  найдены исключительно в высокотемпературных местообитаниях (наземных геотермальные, или гидротермальные экосистемы). Филогенетическое разнообразие (диверсификация) корархеот возникает в соответствии с температурой, соленостью (вода пресная или морская) и географическим положением. В природных экосистемах представители отдела найдены только в малой численности.

Распространение: термальные источники Камчатки, Исландии, Северной Америки.

4. Отдел  Наноархеота - Nanoarchaeota.

Название отдела происходит от греческих слов, обозначающих «древний карлик».

Представлен только одним  известным видом, Nanoarchaeum equitans.

Морфология клетки: ультрамикроб, клетки около 400 нм (0.4 мм) в диаметре. Считается самым маленьким из известных организмов.

Физиология: облигатный симбионт археи рода Ignicoccus (Crenarchaeota). Развивается только в контакте с клетками хозяина. Nanoarchaeum equitans не может синтезировать липиды, и получает их от хозяина.

Отношение к температуре: термофил, развивается при температуре около +80.

Особенности генома: геном  малого размера, 491 тыс. п.н. (самый маленький  не-вирусный геном, секвенированный  полностью, вслед за Candidatus Carsonella ruddii). Геном представлен единственной циркулярной хромосомой. Средний ГЦ% - 31.6. Отсутствуют почти все гены, ответственные за биосинтез аминокислот, нуклеотидов, кофакторов, липидов. Присутствуют гены, кодирующие все биомолекулы, необходимые для репликации и репарации ДНК.