Особенности строения и жизнедеятельности прокариотической клетки

Цели урока:

• Добиться усвоения знаний о делении живой природы на царства, показать общность происхождения и отличия прокариот и эукариот.
• Создать представления о двух уровнях клеточной организации: прокариотическом и эукариотическом.
• Обеспечить усвоение знаний об особенностях строения и жизнедеятельности прокариотической клетки.
• Раскрыть роль бактерий и синезелёных водорослей ( цианобактерий ) в жизни людей и в природе.

Оборудование: таблицы и видеоматериалы, иллюстрирующие строение и разнообразие бактерий и синезелёных водорослей; научно – популярная литература по микробиологии.

Ход урока:

I. Организационный этап.

II. Изучение нового материала. Усвоение новых знаний.

1. Признаки, по которым организмы делят на две группы – прокариоты и эукариоты. Их различия. (Рассказ учителя)

Впервые серьёзное внимание на существенные отличия микроорганизмов от растений и животных обратил немецкий учёный Э. Геккель. Он предложил выделить все микроорганизмы в самостоятельное царство Протиста (Protista) наряду с царством растений (Plantae) и царством животных (Animalia). Подразделение протист на низшие и высшие произошло в соответствии с двумя выявленными типами клеточной организации – эукариотической и прокариотической. Высшие протисты – микроскопические животные (простейшие), микроскопические водоросли и микроскопические грибы (плесени и дрожжи), подобно растениям и животным, имеют эукариотическое строение клеток. Низшие протисты – бактерии, в том числе актиномицеты и синезелёные водоросли (цианобактерии), имеют прокариотическое строение.

Основные различия прокариот и эукариот:

• У эукариот генетический материал локализован в структурно оформленном ядре. У прокариот наследственный материал представлен клубком двойной спиральной нити ДНК и не отделён от цитоплазмы какой – либо мембраной.
• У прокариот, в отличие от эукариот, отсутствуют внутриклеточные органеллы, имеющие хотя бы элементарную мембрану.
• У прокариот рибосомы имеют меньший размер.
• Клеточная стенка прокариот содержит специальный полимер пептидогликан, которого нет у эукариот.
• Жгутики прокариот состоят из одной или нескольких фибрилл, а у эукариот каждый жгутик состоит из микротрубочек – 9 по периметру и 2 в центре.
• Многие прокариоты способны фиксировать молекулярный азот, эукариоты этим свойством не обладают.

2. Типичные прокариотические клетки – бактерии, строение бактерий; особенности содержания наследственного вещества и органоидов. (Рассказ учителя о прокариотической организации клеток на примере строения бактерии с элементами самостоятельной работы учащихся с учебником, а так же с использованием видеоматериала).

Размеры бактерий колеблются в широких пределах: от 1 до 10-15 мкм. В основе морфологии клеток прокариот лежат две основные формы: шар и цилиндр. Различают кокки – шарообразные клетки и их группировки (диплококки, тетракокки, стрептококки – цепочки кокков, стафилококки – скопления кокков в виде виноградной грозди и т.д.), прямые палочки – бациллы, короткие, изогнутые – вибрионы, извитые бактерии – спириллы и спирохеты. Известны клетки, изогнутые полумесяцем, и длинные гибкие клетки с заострёнными концами. Наконец, имеются бактерии, обладающие выростами, - это так называемые простекобактерии. Обнаружены бактерии, имеющие форму шестилучевой звезды, куба, плоского диска, треугольника. (Рисунок учебника).

Основная особенность строения бактерий – отсутствие ядра. Наследственная информация у них заключена в одной молекуле ДНК, имеющей форму кольца и погружённой в цитоплазму. Поверхность клетки может быть покрыта полисахаридной или белковой капсулой. Для передвижения в жидкой среде некоторые клетки прокариот, как и у эукариот, обладают одним – двумя или многочисленными жгутиками. Иногда клетка может быть покрыта многочисленными ворсинками. Бактериальная клетка окружена цитоплазматической мембраной, отделяющей цитоплазму от клеточной стенки. У некоторых бактерий она может образовывать впячивания внутрь клетки – инвагинации. На мембране локализованы ферменты, осуществляющие синтез молекул, обладающих высокоэнергетическими связями (АТФ), энергия которых нужна для катализа биохимических реакций клетки. В цитоплазме мембранных структур содержится мало. В ней находятся рибосомы, осуществляющие синтез белков. Довольно часто в клетках разных бактерий содержатся запасные вещества: полисахариды, гликоген, сера, полифосфаты и др. Эти соединения могут продлевать жизнь клетки при отсутствии внешних источников энергии. (Рисунок учебника или таблица).

3. Размножение бактерий.

При наличии соответствующих источников углерода и энергии, минеральных компонентов, физико–химических условий (кислород, вода, температура, окислительно-восстановительный потенциал и рН среды) подавляющая часть бактерий довольно быстро растёт и размножается. Обычно бактерии размножаются делением надвое. Время удвоение каждой клетки, а следовательно, и всей популяции может составлять лишь 20–30 минут, что характерно, например, для кишечной палочки. Однако не все бактерии растут так быстро. Так, в почве средней полосы России за тёплый сезон они имеют всего лишь 10–20 генераций.

Бактериям свойственно спорообразование. Споры возникают, когда ощущается недостаток питательных веществ или когда в среде накапливаются продукты обмена. При спорообразовании отшнуровывается часть цитоплазмы с хромосомой и окружена мембраной. Споры бактерий очень устойчивы. В сухом состоянии они сохраняют жизнеспособность многие сотни и даже тысячи лет.

4. Физиолого-биохимические свойства прокариот. Их распространение и роль в природе. (Рассказ учителя. Учащиеся в тетради записывают уравнения химических реакций, лежащих в основе жизнедеятельности отдельной группы бактерий. А также фиксируют таблицу, где даётся классификация микроорганизмов по способам питания).

Для существования микроорганизмам необходимы источники углерода и энергии. Прокариоты могут существовать только в аэробных или только в анаэробных условиях, или и в тех и в других. Необходимую энергию они получают в процессе дыхания, брожения или фотосинтеза. Эти процессы с точки зрения химии являются окислительно-восстановительными реакциями. По типу метаболизма микроорганизмы бывают:

Рассмотрим протекание окислительно-восстановительных реакций в группе хемолитотрофов. Эти прокариоты немногочисленны по видовому составу, но широко распространены в природе (в основном в морях и почве) и играют исключительно важную роль в экосистемах и биосфере.

Напомним, что окислительно-восстановительные реакции представляют собой процессы переноса электронов от донора (восстановителя) к акцептору (окислителю). Донорами электронов в окислительно-восстановительных процессах, осуществляемых хемолитотрофами, могут служить некоторые неорганические соединения (например, H₂S, NO₂, NH₃, Fe²⁺), а также молекулярный водород Н₂ и сера S. Хемолитотрофы способны создавать необходимые им в качестве пищи органические вещества, используя энергию, выделяющуюся при окислении указанных неорганических соединений. Поэтому их называют также хемосинтезирующими бактериями. Сам процесс «бессолнечного» синтеза органических веществ, осуществляемый этими микроорганизмами, получил название хемосинтеза. Его открыл в 1887 году русский микробиолог С.Н. Виноградский (1856–1953).

Среди хемосинтетиков следует назвать железобактерии, бактерии, окисляющие водород и монооксид углерода, серобактерии, азотфиксирующие бактерии, нитрификаторы и денитрификаторы, метанобразующие бактерии и некоторые другие.

В основе жизнедеятельности железобактерий лежит окисление двухвалентного железа в трёхвалентное. Например, бактерии рода лептотрикс (Leptothrix) черпают энергию из следующего процесса:

4FeCO₃ + O₂+ 6H₂O = 4Fe(OH)₃+ 4CO₂ + E

Молекулярный водород, образующийся в результате ряда процессов (вулканическая деятельность, электрохимическая коррозия металлов, восстановление протонов и т.д.), способны окислять кислородом бактерии из родов гидрогемонас (Hydrogemonas), псевдомонас (Pseudomonas) и др.

2H₂ + O₂ = 2H₂O + 474 кДж

Некоторые бактерии окисляют монооксид углерода до диоксида.

2CO + O₂ = 2CO₂ + 514 кДж

Элементарную серу, а также сульфиды, тиосульфаты и сульфиты окисляют до сульфатов бактерии рода тиобациллюс (Thiobacillus):

2S + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄ + Е

Деятельность серобактерий – одна из основных движущих сил круговорота (биогеохимического цикла) серы в биосфере. Очень важную функцию фиксации атмосферного азота выполняют азотфиксирующие бактерии рода азотобактер (Azotobacter):

N₂ + 3H₂ + E = 2NH₃

Нитрифицирующие бактерии окисляют в две стадии аммиак до азотной кислоты. Первую стадию осуществляют бактерии рода нитрозомонас (Nitrozomonas):

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₃ + 2H₂O + 660кДж

Азотистую кислоту окисляет до азотной кислоты нитробактер (Nitrobacter)

2HNO₃ + O₂ = 2HNO₃ + 158 кДж

Процессы нитрификации занимают центральное место в круговороте азота в биосфере. Их интенсивность свидетельствует о степени завершённости процессов минерализации в экосистемах.

Все перечисленные выше группы хемолитотрофов в качестве конечного акцептора электронов (и водорода) используют молекулярный кислород. Это так называемые аэробы.

Существуют хемолитотрофы, которые в качестве окислителей могут использовать не только кислород, но и некоторые неорганические соединения, например нитраты или сульфаты. Это – анаэробы. Рассмотрим несколько примеров окислительно-восстановительных процессов, осуществляемых анаэробами.

Нитраты в качестве окислителя использует, например, кишечная палочка (Echerichia coli), вследствие чего она может существовать в анаэробных условиях:

HNO₃ + H₂ = HNO₂ + H₂O

Серобактерии в анаэробных условиях используют в качестве окислителя серы нитрат-ион:

5S + 6HNO₃ + 2H₂O = 5H₂SO₄ + 3N₂ + 109,2 кДж

Бактерии Micrococcus denitrificans для восстановления нитратов используют молекулярный водород:

2HNO₃ + 5H₂ = N₂ + 6H₂O + 1120 кДж

Реакции денитрификации, замыкающие цикл азота в биосфере, показывают, как молекулярный азот возвращается в атмосферу. Бактерии рода десульфовибрио (Desulfovibrio) получают энергию, используя в качестве окислителя сульфат-ионы:

H₂SO₄ + 4H₂ = H₂S + 4H₂O + 154 кДж

Этот процесс в природе имеет немаловажное значение. Благодаря ему в толщах морей и океанов формируются слои, содержащие в больших количествах сероводород (например в Чёрном море).Метанобразующие бактерии способны превращать углекислый газ в метан.

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O + 131 кДж

Ежегодно около 8 млрд. тонн метана образуется именно этим путём. Эти бактерии используют для получения биогаза из различных органических отходов, а также в очистных сооружениях. Интересно отметить, что одним из главных источников биогенного метана считается разведение крупного рогатого скота, в желудке которого (рубце) обитают метанобразующие бактерии.

Жизнедеятельность некоторых хемотрофов может создавать и серьёзные экологические проблемы. Так в результате деятельности Thiobacillus ferrooxidans, окисляющих ферросульфид (минерал пирит), в значительных количествах образуется серная кислота. Вода, вытекающая из заброшенных железорудных шахт, может иметь рН<2 и тем самым создавать угрозу кислотного загрязнения близлежащих водоёмов.

Нужно подчеркнуть, что главная роль хемотрофов заключается в том, что они представляют собой важнейшее связующее звено в общей системе функционирования биосферы.

Плодородие почвы – это результат жизнедеятельности бактерий. Они разрушают трупы животных, остатки корней, стеблей и листьев растений и превращают это органическое вещество в плодородный почвенный гумус, или перегной.

Бактерии активно участвуют в процессах формирования земной коры, в образовании осадочных горных пород, залежей нефти, угля, металлов и других полезных ископаемых. Они довольно быстро приспосабливаются к неблагоприятным условиям существования. Так психрофилы способны размножаться даже во льдах Антарктиды. Термофилы могут развиваться при температуре 80–100 градусов.

В целом прокариоты обитают практически везде: в воде, почве, воздухе, в пищеварительных трактах животных и др. многовековые ледники Антарктиды, вечная мерзлота Чукотки, кипящие гидротермальные источники, глубочайшие впадины Мирового океана и даже воды охлаждающих контуров ядерных ректоров заселены этими организмами.

Многообразие особенностей строения и жизнедеятельности бактерий, в первую очередь такие их уникальные свойства, как скорость размножения, образование колоний генетически однородных клеток, наличие однонитевой хромосомы, способность выделять в окружающую среду продукты метаболизма (органические кислоты, витамины, антибиотики и др.), имеют огромное значение для научных исследований и практической деятельности человека, в частности в области генетической инженерии и биотехнологии. У этих крохотных существ большое будущее в науке.

5. Домашнее задание.

Параграф по теме. Уравнения, характеризующие процессы жизнедеятельности бактерий разобрать с точки зрения теории ОВР.