"Mikrobiologia"

Spis treści

Przedmowa 10

Najważniejsze stosowane skróty 12

1. Wprowadzenie 16

1.1. Krótki zarys historii mikrobiologii 16

1.1.1. Początki 16

1.1.2. Rozwój mikrobiologii medycznej 17

1.1.3. Udoskonalanie mikrobiologicznych metod badawczych 19

1.1.4. Poznawanie różnorodności bakterii 20

1.1.5. Odkrycie wirusów 21

1.1.6. Próby klasyfikacji bakterii 21

1.2. Ogólna charakterystyka mikroorganizmów 22

1.3. Carl Woese i trzy domeny świata żywego 23

1.4. Systematyka prokariotów 24

1.4.1. Nazewnictwo prokariotów 25

1.4.2. System klasyfikacji prokariotów 26

1.4.3. Gatunek, podgatunek i odmiana u prokariotów 27

1.5. Charakterystyka domen prokariotycznych 28

1.5.1. Domena Bacteria 28

1.5.2 Domena Archaea 28

2. Budowa i funkcjonowanie komórek prokariotycznych 30

2.1. Wielkość i morfologia komórek prokariotycznych oraz tworzone przez nie układy 30

2.2. Ogólna budowa komórki prokariotycznej 32

2.3. Cytoplazma, nukleoid i rybosomy 33

2.4. Ziarnistości stanowiące materiały zapasowe 33

2.4.1. Granule wielocukrowe 34

2.4.2. Polihydroksymaślan i inne polihydroksyalkaniany 34

2.4.3. Cyjanoficyna 35

2.4.4. Lipidy 35

2.4.5. Polifosforany 35

2.4.6. Krople siarki 35

2.5. Inne struktury występujące w cytoplazmie 36

2.5.1. Magnetosomy 36

2.5.2. Bakteryjne mikroprzedziały 37

2.5.3. Pęcherzyki gazowe 38

2.5.4. Węglany 38

2.6. Błona komórkowa prokariotów 39

2.6.1. Budowa błony komórkowej bakterii 40

2.6.2. Błony wewnątrzcytoplazmatyczne bakterii 41

2.6.3. Błona komórkowa archeonów 41

2.6.4. Funkcje błony komórkowej 42

2.6.5. Transport przez błonę komórkową 42

2.7. Ściana komórkowa bakterii 45

2.7.1. Budowa peptydoglikanu 45

2.7.2. Biosynteza peptydoglikanu 46

2.7.3. Ściana komórkowa bakterii gramdodatnich 48

2.7.4. Ściana komórkowa bakterii gramujemnych 51

2.7.5. Barwienie metodą Grama 53

2.7.6. Ściany komórkowe archeonów 53

2.8. Warstwa S archeonów i bakterii 55

2.9. Otoczki i pochewki 55

2.10. Sekrecja 56

2.9.1. Rola otoczek 56

2.9.2. Pochewki 56

2.10.1. Przenoszenie białek do błony cytoplazmatycznej i przestrzeni peryplazmatycznej 57

2.10.2. Przenoszenie białek przez dwie lub trzy błony 57

2.11. Pęcherzyki błonowe i nanorurki 59

2.11.1. Pęcherzyki błonowe 59

2.12. Fimbrie, pilusy i włókienka amyloidowe 60

2.11.2. Nanorurki 60

2.13. Ruch prokariotów 61

2.13.1. Ruch rzęskowy bakterii 62

2.13.2. Inne sposoby poruszania się bakterii 63

2.13.3. Struktury powierzchniowe archeonów 65

2.14. Chemotaksja bakterii 66

3. Metabolizm prokariotów 68

3.1. Ogólna charakterystyka metabolizmu 68

3.1.1. Enzymy 69

3.1.2. Wymagania pokarmowe prokariotów 70

3.1.3. Typy pokarmowe prokariotów 71

3.1.4. Sposoby syntezy ATP 72

3.2. Pierwiastki biogenne 76

3.2.1. Źródła węgla 76

3.2.2. Azot 81

3.2.3. Siarka 85

3.2.4. Fosfor 87

3.2.5. Żelazo 88

3.2.6. Czynniki wzrostowe 88

3.3. Główne szlaki metaboliczne 89

3.3.1. Główne szlaki katabolizmu cukrów 90

3.3.2. Fermentacje, reakcja Sticklanda i szlak deiminazy argininowej 94

3.3.3. β-oksydacja kwasów tłuszczowych 98

3.3.4. Cykl kwasów trikarboksylowych 100

3.3.5. Cykl glioksalowy 101

3.4. Metabolizm chemolitotrofów 102

3.4.1. Nitryfikacja i anamoks 103

3.4.2. Utlenianie siarki i jej związków nieorganicznych 107

3.4.3. Metabolizm wodoru 108

3.4.4. Utlenianie tlenku węgla 110

3.4.5. Utlenianie żelaza 110

3.4.6. Utlenianie innych związków nieorganicznych 111

3.5. Metabolizm tlenowy i beztlenowy 112

3.5.1. Tlen w metabolizmie prokariotów 112

3.5.2. Oddychanie 112

3.5.3. Oddychanie beztlenowe 113

3.5.4. Międzygatunkowy transfer elektronów i wodoru oraz syntrofia 121

3.6. Metabolizm fototrofów 122

3.6.1. Ogólna charakterystyka bakterii fotosyntetyzujących 122

3.6.2. Ogólna charakterystyka fotosyntezy 122

3.6.3. Fotosynteza anoksygenna 125

3.6.4. Fotosynteza oksygenna 128

3.7. Asymilacja dwutlenku węgla i związków C1 131

3.6.5. Inny sposób wykorzystania światła przez prokarioty 131

3.7.1. Cykl Calvina 133

3.7.2. Redukcyjny cykl kwasów trikarboksylowych 134

3.7.3. Redukcyjny szlak acetylo-CoA (szlak Wooda–Ljungdahla) 136

3.7.4. Podwójny cykl 3-hydroksypropionianu 137

3.7.5. Asymilacja węgla u metylotrofów 137

4. Wzrost i cykle życiowe prokariotów 142

4.1. Wzrost bakterii w hodowlach płynnych 142

4.1.1. Hodowle okresowe 142

4.1.2. Hodowle ciągłe i synchronizowane 143

4.2. Wpływ czynników fizyko-chemicznych na wzrost prokariotów 144

4.2.1. Wpływ temperatury 144

4.2.2. Wpływ pH 147

4.2.3. Wpływ ciśnienia osmotycznego (w tym zasolenia) 147

4.2.4. Wpływ ciśnienia hydrostatycznego 148

4.2.5. Wpływ tlenu i jego form reaktywnych 149

4.2.6. Wpływ innych warunków środowiska 150

4.3. Wzrost i rozmnażanie prokariotów 151

4.3.1. Cytoszkielet bakterii i jego udział w podziale komórki 151

4.3.2. Elementy cytoszkieletu i podział komórki archeonów 153

4.4. Cykle życiowe bakterii 154

4.4.1. Escherichia coli 154

4.4.2. Hyphomicrobium (Proteobacteria) i Pirellula (Planctomycetes) 154

4.4.3. Caulobacter crescentus i Sphaerotilus natans (Proteobacteria) 155

4.4.4. Epulopiscium fishelsoni (Firmicutes) 155

4.4.5. Bdellovibrio bacteriovorus (Proteobacteria) 155

4.5. Formy przetrwalnikowe bakterii 156

4.4.6. Dermocarpa (Cyanobacteria) 156

4.4.7. Chlamydie 156

4.5.1. Endospory (Firmicutes) 156

4.5.2. Spory (konidia) promieniowców (Actinobacteria) 158

4.5.3. Egzospory i cysty (Proteobacteria) 159

4.5.4. Miksospory bakterii śluzowych (Proteobacteria) 160

4.5.5. Akinety sinic nitkowatych (Cyanobacteria) 161

5. Udział prokariotów w funkcjonowaniu biosfery 162

5.1. Mikroorganizmy a granice biosfery 162

5.2. Podstawowe terminy i pojęcia stosowane w ekologii mikroorganizmów i mikrobiologii środowisk 163

5.2.1. Relacje troficzne w ekosystemach 163

5.3. Miejsca występowania prokariotów na Ziemi 164

5.3.1. Gleby 164

5.3.2. Wody 165

5.3.3. Inne środowiska 169

5.4. Formy występowania prokariotów w środowisku 171

5.4.1. Konsorcja 171

5.4.2. Maty mikroorganizmów 172

5.4.3. Biofilmy 174

5.5. Udział prokariotów w obiegu pierwiastków 175

5.5.1. Udział prokariotów w obiegu węgla 176

5.5.2. Udział prokariotów w obiegu azotu 177

5.5.3. Udział prokariotów w obiegu siarki 178

5.5.4. Udział prokariotów w obiegu żelaza i innych pierwiastków 179

5.6. Oddziaływania prokariotów z innymi organizmami – symbiozy 180

5.6.1. Protokooperacja 180

5.6.2. Komensalizm 181

5.6.3. Mutualizm 181

5.6.4. Współzawodnictwo i antagonizm 184

5.6.5. Drapieżnictwo i pasożytnictwo 184

5.7. Bakterie oddziałujące z organizmem człowieka 185

5.7.1. Odporność wrodzona i odporność nabyta 185

5.7.2. Mikrobiota człowieka 187

5.7.3. Podstawowe terminy stosowane w mikrobiologii lekarskiej 190

5.7.4. Czynniki wirulencji umożliwiające skuteczne działanie patogenów 191

5.7.5. Toksyny bakteryjne 193

5.7.6. Unikanie mechanizmów obronnych gospodarza przez patogeny 196

5.7.7. Choroby bakteryjne i ich objawy 197

5.7.8. Profilaktyka chorób zakaźnych – szczepienia 198

5.7.9. Leczenie chorób bakteryjnych – chemioterapeutyki 201

5.8. Symbiozy bakterii z roślinami 206

5.8.1. Symbiozy korzystne dla roślin 206

5.8.2. Symbiozy niekorzystne dla roślin 208

6. Genetyka prokariotów 212

6.1. Organizacja genetyczna genomów prokariotycznych 212

6.1.1. Budowa DNA 213

6.1.2. Struktura chromosomów prokariotycznych 214

6.2. Replikacja chromosomowego DNA 215

6.2.1. Mechanizm replikacji chromosomu u bakterii 215

6.2.2. Mechanizm replikacji chromosomu u archeonów 218

6.3. Transkrypcja 219

6.3.1. Geny i operony 219

6.3.2. Rodzaje i funkcje RNA 220

6.3.3. Mechanizm transkrypcji u bakterii 221

6.3.4. Mechanizm transkrypcji u archeonów 223

6.4. Translacja 224

6.4.1. Kod genetyczny 224

6.4.2. Rybosomy – budowa i funkcja 225

6.4.3. Mechanizm translacji u bakterii 225

6.5. Regulacja ekspresji genów 228

6.4.4. Mechanizm translacji u archeonów 228

6.4.5. Potranslacyjna obróbka białek 228

6.5.1. Kontrola pozytywna i negatywna – aktywatory i represory 229

6.5.2. Układy dwuskładnikowe 231

6.5.3. Wyczuwanie liczebności 231

6.5.4. Globalne systemy regulacji ekspresji genów 232

6.5.5. Ryboregulacja 233

6.6. Mutacje i naprawa DNA 234

6.6.1. Typy mutacji i czynniki mutagenne 234

6.6.2. Mechanizmy naprawy uszkodzeń DNA 235

6.6.3. Regulon SOS 237

7. Zmienność prokariotów i horyzontalny transfer genów 240

7.1. Czynniki wpływające na zmienność genomów bakteryjnych 240

7.2. Rekombinacja homologiczna i nieuprawniona 241

7.2.1. Rekombinacja homologiczna 241

7.2.2. Rekombinacja zlokalizowana 242

7.2.3. Transpozycja 243

7.3. Ruchome elementy genetyczne bakterii 245

7.4. Plazmidy 245

7.4.1. Ogólna charakterystyka i klasyfikacja plazmidów 246

7.4.2. Wpływ plazmidów na strukturę genomów bakteryjnych 247

7.4.3. Replikacja plazmidów 247

7.4.4. Stabilność plazmidów 250

7.4.5. Transfer koniugacyjny plazmidów 252

7.5. Elementy transpozycyjne 253

7.5.1. Klasyfikacja i struktura genetyczna autonomicznych TE 254

7.5.2. Wpływ transpozonów na strukturę genomów i zmienność bakterii 255

7.5.3. Regulacja częstości transpozycji 256

7.6. Inne grupy ruchomych elementów genetycznych 257

7.6.1. Kaspozony 257

7.6.2. Elementy integrujące z DNA 257

7.6.3. Mobilne introny i inteiny 259

7.7. Horyzontalny transfer genów 260

7.7.1. Mechanizmy horyzontalnego transferu genów 260

7.7.2. Bariery horyzontalnego transferu genów 264

7.7.3. Ruchome elementy genetyczne i HGT u archeonów 264

8. Wirusy i inne niekomórkowe czynniki infekcyjne 266

8.1. Ogólna charakterystyka wirusów 266

8.1.1. Informacje wstępne 266

8.1.2. Genomy wirusów 267

8.1.3. Struktura cząstek wirusowych (wirionów) 268

8.1.4. Oficjalna klasyfikacja wirusów 271

8.1.5. Klasyfikacja wirusów według Baltimore’a 271

8.1.6. Rozprzestrzenianie się wirusów 274

8.1.7. Zakres gospodarzy i tropizm wirusów 275

8.1.8. Cykl replikacyjny wirusów 276

8.2. Wirusy infekujące bakterie 280

8.2.1. Charakterystyka bakteriofagów i ich cykle infekcyjne 280

8.2.2. „Wyścig zbrojeń” między bateryjnymi gospodarzami a ich wirusami 288

8.2.3. Archeowirusy 292

8.3. Czynniki subwirusowe 293

8.3.1. Wiroidy 293

8.3.2. Satelity 294

8.3.3. Priony 295

8.4. Znaczenie wirusów 296

8.4.1. Znaczenie ekologiczne wirusów 296

8.4.2. Znaczenie ewolucyjne wirusów 296

8.4.3. Wirusy jako czynniki chorobotwórcze 297

8.4.4. Zastosowanie wirusów 298

9. Wykorzystanie drobnoustrojów prokariotycznych w przemyśle i ochronie środowiska 302

9.1. Przemysłowe zastosowania mikroorganizmów 302

9.1.1. Przemysł farmaceutyczny 303

9.1.2. Przemył spożywczy 305

9.1.3. Przemył chemiczny 308

9.2. Wykorzystanie drobnoustrojów w rolnictwie 311

9.2.1. Mikrobiologiczne środki ochrony roślin 311

9.2.2. Mikrobiologiczna stymulacja wzrostu i plonowania roślin 312

9.3. Zastosowanie mikroorganizmów w ochronie środowiska 313

9.3.1. Bioremediacja 313

9.3.2. Technologie oczyszczania ścieków 323

9.3.3. Zagospodarowanie odpadów organicznych do produkcji biopaliw i bioenergii 326

10. Metody stosowane w mikrobiologii 332

10.1. Metody hodowlane 332

10.1.1. Pożywki mikrobiologiczne 332

10.1.2. Sterylizacja 336

10.1.3. Metody posiewu mikroorganizmów na podłoża i inkubacji hodowli 339

10.1.4. Metody izolowania czystych kultur i określania liczebności mikroorganizmów 341

10.1.5. Klasyczne metody pracy z bakteriofagami 343

10.1.6. Metody przechowywania mikroorganizmów i bakteriofagów 344

10.2. Metody mikroskopowe 345

10.2.1. Ogólne wprowadzenie do obrazowania w mikroskopie optycznym 345

10.2.2. Techniki obserwacji stosowane w mikroskopii optycznej 346

10.2.3. Wykorzystanie klasycznej mikroskopii optycznej w mikrobiologii 348

10.2.4. Wykorzystanie mikroskopu epifluorescencyjnego i konfokalnego w badaniach prokariotów 349

10.2.5. Mikroskopia elektronowa – zastosowanie w mikrobiologii 352

10.3. Metody molekularne 353

10.3.1. Genomika – metody sekwencjonowania DNA 353

10.3.2. Metagenomika 354

10.3.3. Transkryptomika, proteomika i metabolomika 355

Polecana literatura i strony internetowe 356

Addendum 1 358

Addendum 2 362

Skorowidz 368