ebook Mikrobiologia

Spis treści ebooka Mikrobiologia

Przedmowa IX
Najważniejsze stosowane skróty XI

1. Wprowadzenie 1
1.1. Krótki zarys historii mikrobiologii 1
1.1.1. Początki 1
1.1.2. Rozwój mikrobiologii medycznej 2
1.1.3. Udoskonalanie mikrobiologicznych metod badawczych 4
1.1.4. Poznawanie różnorodności bakterii 5
1.1.5. Odkrycie wirusów 6
1.1.6. Próby klasyfikacji bakterii 6
1.2. Ogólna charakterystyka mikroorganizmów 7
1.3. Carl Woese i trzy domeny świata żywego 8
1.4. Systematyka prokariotów 9
1.4.1. Nazewnictwo prokariotów 10
1.4.2. System klasyfikacji prokariotów 11
1.4.3. Gatunek, podgatunek i odmiana u prokariotów 12
1.5. Charakterystyka domen prokariotycznych 13
1.5.1. Domena Bacteria 13
1.5.2 Domena Archaea 13

2. Budowa i funkcjonowanie komórek prokariotycznych 15
2.1. Wielkość i morfologia komórek prokariotycznych oraz tworzone przez nie układy 15
2.2. Ogólna budowa komórki prokariotycznej 17
2.3. Cytoplazma, nukleoid i rybosomy 18
2.4. Ziarnistości stanowiące materiały zapasowe 18
2.4.1. Granule wielocukrowe 19
2.4.2. Polihydroksymaślan i inne polihydroksyalkaniany 19
2.4.3. Cyjanoficyna 20
2.4.4. Lipidy 20
2.4.5. Polifosforany 20
2.4.6. Krople siarki 20
2.5. Inne struktury występujące w cytoplazmie 21
2.5.1. Magnetosomy 21
2.5.2. Bakteryjne mikroprzedziały 22
2.5.3. Pęcherzyki gazowe 23
2.5.4. Węglany 23
2.6. Błona komórkowa prokariotów 24
2.6.1. Budowa błony komórkowej bakterii 25
2.6.2. Błony wewnątrzcytoplazmatyczne bakterii 26
2.6.3. Błona komórkowa archeonów 26
2.6.4. Funkcje błony komórkowej 27
2.6.5. Transport przez błonę komórkową 27
2.7. Ściana komórkowa bakterii 30
2.7.1. Budowa peptydoglikanu 30
2.7.2. Biosynteza peptydoglikanu 31
2.7.3. Ściana komórkowa bakterii gramdodatnich 33
2.7.4. Ściana komórkowa bakterii gramujemnych 36
2.7.5. Barwienie metodą Grama 38
2.7.6. Ściany komórkowe archeonów 38
2.8. Warstwa S archeonów i bakterii 40
2.9. Otoczki i pochewki 40
2.9.1. Rola otoczek 41
2.9.2. Pochewki 41
2.10. Sekrecja 41
2.10.1. Przenoszenie białek do błony cytoplazmatycznej i przestrzeni peryplazmatycznej 42
2.10.2. Przenoszenie białek przez dwie lub trzy błony 42
2.11. Pęcherzyki błonowe i nanorurki 44
2.11.1. Pęcherzyki błonowe 44
2.11.2. Nanorurki 45
2.12. Fimbrie, pilusy i włókienka amyloidowe 45
2.13. Ruch prokariotów 46
2.13.1. Ruch rzęskowy bakterii 47
2.13.2. Inne sposoby poruszania się bakterii 48
2.13.3. Struktury powierzchniowe archeonów 50
2.14. Chemotaksja bakterii 51

3. Metabolizm prokariotów 53
3.1. Ogólna charakterystyka metabolizmu 53
3.1.1. Enzymy 54
3.1.2. Wymagania pokarmowe prokariotów 55
3.1.3. Typy pokarmowe prokariotów 56
3.1.4. Sposoby syntezy ATP 57
3.2. Pierwiastki biogenne 61
3.2.1. Źródła węgla 61
3.2.2. Azot 66
3.2.3. Siarka 70
3.2.4. Fosfor 72
3.2.5. Żelazo 73
3.2.6. Czynniki wzrostowe 73
3.3. Główne szlaki metaboliczne 74
3.3.1. Główne szlaki katabolizmu cukrów 75
3.3.2. Fermentacje, reakcja Sticklanda i szlak deiminazy argininowej 79
3.3.3. β-oksydacja kwasów tłuszczowych 83
3.3.4. Cykl kwasów trikarboksylowych 85
3.3.5. Cykl glioksalowy 86
3.4. Metabolizm chemolitotrofów 87
3.4.1. Nitryfikacja i anamoks 88
3.4.2. Utlenianie siarki i jej związków nieorganicznych 92
3.4.3. Metabolizm wodoru 93
3.4.4. Utlenianie tlenku węgla 95
3.4.5. Utlenianie żelaza 95
3.4.6. Utlenianie innych związków nieorganicznych 96
3.5. Metabolizm tlenowy i beztlenowy 97
3.5.1. Tlen w metabolizmie prokariotów 97
3.5.2. Oddychanie 97
3.5.3. Oddychanie beztlenowe 98
3.5.4. Międzygatunkowy transfer elektronów i wodoru oraz syntrofia 106
3.6. Metabolizm fototrofów 107
3.6.1. Ogólna charakterystyka bakterii fotosyntetyzujących 107
3.6.2. Ogólna charakterystyka fotosyntezy 107
3.6.3. Fotosynteza anoksygenna 110
3.6.4. Fotosynteza oksygenna 113
3.6.5. Inny sposób wykorzystania światła przez prokarioty 116
3.7. Asymilacja dwutlenku węgla i związków C1 116
3.7.1. Cykl Calvina 118
3.7.2. Redukcyjny cykl kwasów trikarboksylowych 119
3.7.3. Redukcyjny szlak acetylo-CoA (szlak Wooda–Ljungdahla) 121
3.7.4. Podwójny cykl 3-hydroksypropionianu 122
3.7.5. Asymilacja węgla u metylotrofów 122

4. Wzrost i cykle życiowe prokariotów 127
4.1. Wzrost bakterii w hodowlach płynnych 127
4.1.1. Hodowle okresowe 127
4.1.2. Hodowle ciągłe i synchronizowane 128
4.2. Wpływ czynników fizyko-chemicznych na wzrost prokariotów 129
4.2.1. Wpływ temperatury 129
4.2.2. Wpływ pH 132
4.2.3. Wpływ ciśnienia osmotycznego (w tym zasolenia) 132
4.2.4. Wpływ ciśnienia hydrostatycznego 133
4.2.5. Wpływ tlenu i jego form reaktywnych 134
4.2.6. Wpływ innych warunków środowiska 135
4.3. Wzrost i rozmnażanie prokariotów 136
4.3.1. Cytoszkielet bakterii i jego udział w podziale komórki 136
4.3.2. Elementy cytoszkieletu i podział komórki archeonów 138
4.4. Cykle życiowe bakterii 139
4.4.1. Escherichia coli 139
4.4.2. Hyphomicrobium (Proteobacteria) i Pirellula (Planctomycetes) 139
4.4.3. Caulobacter crescentus i Sphaerotilus natans (Proteobacteria) 140
4.4.4. Epulopiscium fishelsoni (Firmicutes) 140
4.4.5. Bdellovibrio bacteriovorus (Proteobacteria) 140
4.4.6. Dermocarpa (Cyanobacteria) 141
4.4.7. Chlamydie 141
4.5. Formy przetrwalnikowe bakterii 141
4.5.1. Endospory (Firmicutes) 141
4.5.2. Spory (konidia) promieniowców (Actinobacteria) 143
4.5.3. Egzospory i cysty (Proteobacteria) 144
4.5.4. Miksospory bakterii śluzowych (Proteobacteria) 145
4.5.5. Akinety sinic nitkowatych (Cyanobacteria) 146

5. Udział prokariotów w funkcjonowaniu biosfery 147
5.1. Mikroorganizmy a granice biosfery 147
5.2. Podstawowe terminy i pojęcia stosowane w ekologii mikroorganizmów i mikrobiologii środowisk 148
5.2.1. Relacje troficzne w ekosystemach 148
5.3. Miejsca występowania prokariotów na Ziemi 149
5.3.1. Gleby 149
5.3.2. Wody 150
5.3.3. Inne środowiska 154
5.4. Formy występowania prokariotów w środowisku 156
5.4.1. Konsorcja 156
5.4.2. Maty mikroorganizmów 157
5.4.3. Biofilmy 159
5.5. Udział prokariotów w obiegu pierwiastków 160
5.5.1. Udział prokariotów w obiegu węgla 161
5.5.2. Udział prokariotów w obiegu azotu 162
5.5.3. Udział prokariotów w obiegu siarki 163
5.5.4. Udział prokariotów w obiegu żelaza i innych pierwiastków 164
5.6. Oddziaływania prokariotów z innymi organizmami – symbiozy 165
5.6.1. Protokooperacja 165
5.6.2. Komensalizm 166
5.6.3. Mutualizm 166
5.6.4. Współzawodnictwo i antagonizm 169
5.6.5. Drapieżnictwo i pasożytnictwo 169
5.7. Bakterie oddziałujące z organizmem człowieka 170
5.7.1. Odporność wrodzona i odporność nabyta 170
5.7.2. Mikrobiota człowieka 172
5.7.3. Podstawowe terminy stosowane w mikrobiologii lekarskiej 175
5.7.4. Czynniki wirulencji umożliwiające skuteczne działanie patogenów 176
5.7.5. Toksyny bakteryjne 178
5.7.6. Unikanie mechanizmów obronnych gospodarza przez patogeny 181
5.7.7. Choroby bakteryjne i ich objawy 182
5.7.8. Profilaktyka chorób zakaźnych – szczepienia 183
5.7.9. Leczenie chorób bakteryjnych – chemioterapeutyki 186
5.8. Symbiozy bakterii z roślinami 191
5.8.1. Symbiozy korzystne dla roślin 191
5.8.2. Symbiozy niekorzystne dla roślin 193

6. Genetyka prokariotów 197
6.1. Organizacja genetyczna genomów prokariotycznych 197
6.1.1. Budowa DNA 198
6.1.2. Struktura chromosomów prokariotycznych 199
6.2. Replikacja chromosomowego DNA 200
6.2.1. Mechanizm replikacji chromosomu u bakterii 200
6.2.2. Mechanizm replikacji chromosomu u archeonów 203
6.3. Transkrypcja 204
6.3.1. Geny i operony 204
6.3.2. Rodzaje i funkcje RNA 205
6.3.3. Mechanizm transkrypcji u bakterii 206
6.3.4. Mechanizm transkrypcji u archeonów 208
6.4. Translacja 209
6.4.1. Kod genetyczny 209
6.4.2. Rybosomy – budowa i funkcja 210
6.4.3. Mechanizm translacji u bakterii 210
6.4.4. Mechanizm translacji u archeonów 213
6.4.5. Potranslacyjna obróbka białek 213
6.5. Regulacja ekspresji genów 213
6.5.1. Kontrola pozytywna i negatywna – aktywatory i represory 214
6.5.2. Układy dwuskładnikowe 216
6.5.3. Wyczuwanie liczebności 216
6.5.4. Globalne systemy regulacji ekspresji genów 217
6.5.5. Ryboregulacja 218
6.6. Mutacje i naprawa DNA 219
6.6.1. Typy mutacji i czynniki mutagenne 219
6.6.2. Mechanizmy naprawy uszkodzeń DNA 220
6.6.3. Regulon SOS 222

7. Zmienność prokariotów i horyzontalny transfer genów 225
7.1. Czynniki wpływające na zmienność genomów bakteryjnych 225
7.2. Rekombinacja homologiczna i nieuprawniona 226
7.2.1. Rekombinacja homologiczna 226
7.2.2. Rekombinacja zlokalizowana 227
7.2.3. Transpozycja 228
7.3. Ruchome elementy genetyczne bakterii 230
7.4. Plazmidy 230
7.4.1. Ogólna charakterystyka i klasyfikacja plazmidów 231
7.4.2. Wpływ plazmidów na strukturę genomów bakteryjnych 232
7.4.3. Replikacja plazmidów 232
7.4.4. Stabilność plazmidów 235
7.4.5. Transfer koniugacyjny plazmidów 237
7.5. Elementy transpozycyjne 238
7.5.1. Klasyfikacja i struktura genetyczna autonomicznych TE 239
7.5.2. Wpływ transpozonów na strukturę genomów i zmienność bakterii 240
7.5.3. Regulacja częstości transpozycji 241
7.6. Inne grupy ruchomych elementów genetycznych 242
7.6.1. Kaspozony 242
7.6.2. Elementy integrujące z DNA 242
7.6.3. Mobilne introny i inteiny 244
7.7. Horyzontalny transfer genów 245
7.7.1. Mechanizmy horyzontalnego transferu genów 245
7.7.2. Bariery horyzontalnego transferu genów 249
7.7.3. Ruchome elementy genetyczne i HGT u archeonów 249

8. Wirusy i inne niekomórkowe czynniki infekcyjne 251
8.1. Ogólna charakterystyka wirusów 251
8.1.1. Informacje wstępne 251
8.1.2. Genomy wirusów 252
8.1.3. Struktura cząstek wirusowych (wirionów) 253
8.1.4. Oficjalna klasyfikacja wirusów 256
8.1.5. Klasyfikacja wirusów według Baltimore’a 256
8.1.6. Rozprzestrzenianie się wirusów 259
8.1.7. Zakres gospodarzy i tropizm wirusów 260
8.1.8. Cykl replikacyjny wirusów 261
8.2. Wirusy infekujące bakterie 265
8.2.1. Charakterystyka bakteriofagów i ich cykle infekcyjne 265
8.2.2. „Wyścig zbrojeń” między bateryjnymi gospodarzami a ich wirusami 273
8.2.3. Archeowirusy 277
8.3. Czynniki subwirusowe 278
8.3.1. Wiroidy 278
8.3.2. Satelity 279
8.3.3. Priony 280
8.4. Znaczenie wirusów 281
8.4.1. Znaczenie ekologiczne wirusów 281
8.4.2. Znaczenie ewolucyjne wirusów 281
8.4.3. Wirusy jako czynniki chorobotwórcze 282
8.4.4. Zastosowanie wirusów 283

9. Wykorzystanie drobnoustrojów prokariotycznych w przemyśle i ochronie środowiska 287
9.1. Przemysłowe zastosowania mikroorganizmów 287
9.1.1. Przemysł farmaceutyczny 288
9.1.2. Przemył spożywczy 290
9.1.3. Przemył chemiczny 293
9.2. Wykorzystanie drobnoustrojów w rolnictwie 296
9.2.1. Mikrobiologiczne środki ochrony roślin 296
9.2.2. Mikrobiologiczna stymulacja wzrostu i plonowania roślin 297
9.3. Zastosowanie mikroorganizmów w ochronie środowiska 298
9.3.1. Bioremediacja 298
9.3.2. Technologie oczyszczania ścieków 308
9.3.3. Zagospodarowanie odpadów organicznych do produkcji biopaliw i bioenergii 311

10. Metody stosowane w mikrobiologii 317
10.1. Metody hodowlane 317
10.1.1. Pożywki mikrobiologiczne 317
10.1.2. Sterylizacja 321
10.1.3. Metody posiewu mikroorganizmów na podłoża i inkubacji hodowli 324
10.1.4. Metody izolowania czystych kultur i określania liczebności mikroorganizmów 326
10.1.5. Klasyczne metody pracy z bakteriofagami 328
10.1.6. Metody przechowywania mikroorganizmów i bakteriofagów 329
10.2. Metody mikroskopowe 330
10.2.1. Ogólne wprowadzenie do obrazowania w mikroskopie optycznym 330
10.2.2. Techniki obserwacji stosowane w mikroskopii optycznej 331
10.2.3. Wykorzystanie klasycznej mikroskopii optycznej w mikrobiologii 333
10.2.4. Wykorzystanie mikroskopu epifluorescencyjnego i konfokalnego w badaniach prokariotów 334
10.2.5. Mikroskopia elektronowa – zastosowanie w mikrobiologii 337
10.3. Metody molekularne 338
10.3.1. Genomika – metody sekwencjonowania DNA 338
10.3.2. Metagenomika 339
10.3.3. Transkryptomika, proteomika i metabolomika 340

Polecana literatura i strony internetowe 341
Addendum 1 343
Addendum 2 347
Skorowidz 353