1. DABASZINĀTŅU STUDENTIEM
Indriķis Muižnieks
BIOLOĢIJAS PAMATI
DABASZINĀTŅU STUDENTIEM
MIKROBIOLOĢIJA
2015. gads

2. MIKROORGANISMU LOMA EVOLŪCIJĀ
ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE
TEORIJAS PAR DZĪVĪBAS IZCELŠANOS
BAKTĒRIJU LOMA BIOSFĒRAS IZVEIDĒ
BAKTĒRIJU LOMA EIKARIOTU ŠŪNU EVOLŪCIJĀ
VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI
BAKTĒRIJU VIELMAIŅAS PAMATTIPI
METABOLISMA CEĻI

3. ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE
Zemes vecums
1640. g. Džeimss Ušers (James Ussher, ), Īrijas arhibīskaps
Zeme ir radīta g. BC, 23. oktobrī.

4. ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE
Zemes vecums
Žoržs Bifons (Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, ), franču dabas pētnieks
Les époques de la nature – Zeme ir gadus veca

5. ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE
Zemes vecums
Viljams Kelvins (William Thomson, – 1907.) Ņemot vērā izkusušu iežu atdzišanas ātrumu, Zemes vecums var būt 98 miljoni gadu (1897.g. precizēts – līdz 40 milj. gadu)

6. ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE
Zemes vecums
Ernests Rezerfords (Ernest Rutherford, –1937.)
izsaka domu, ka Zemes vecuma noteikšanai var izmantot radioaktīvo izotopu un to sabrukšanas rezultātā veidoto stabilo izotopu masas attiecības.

7. ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE
Zemes vecums
Amerikāņu astronoms Henrijs Rasels (Henry Russell, – 1957.) izmantojot urāna un svina masas attiecības iežos, aprēķina, ka Zemes maksimālais vecums var būt astoņi miljardi gadu. Ņemot vērā tajā laikā zināmo vecāko pirmskembrija perioda iežu vecumu un aprēķinot vidējo no šī vecuma un iespējamā maksimālā vecuma Rasels secina:
Zemes mantijas vecumam jābūt apmēram četriem miljardiem gadu.
Citi vērtējumi:
3,4 miljardi gadu (Rutherford 1929);
4.6 miljardi gadu (Meyer 1937);
3 līdz 4 miljardi gadu (Starik 1937).

8. ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE
Zemes vecums
– vācu fiziķis Frīdrihs Hotermans (Friedrich Georg Houtermans – 1966.) un amerikāņu ģeoķīmiķis Klērs Patrersons (Clair Cameron Patterson – 1995.), izmantojot urāna un svina izotopu daudzuma attiecības nogulumiežos un meteorītos, aprēķina, ka Zemes un Saules sistēmas vecums ir 4.55 ± 0.07 miljardi gadu.
Houtermans, F. (1953) "Determination of the Age of the Earth from the Isotopic Composition of Meteoritic Lead." Nuovo Cimento 10, ,
Patterson C. (1956) "Age of meteorites and the Earth" Geochimica et Cosmochimica Acta 10,

9. Hipotēzes par dzīvības izcelšanos
Spontānā rašanās, “dzīvības spēks”
Aristotelis, Akvīnas Toms, Īzaks Ņūtons
Dzīvība rodas no organiskām un neorganiskām vielām arī mūsu dienās.
Spontānās rašanās hipotēzes noraidīšana ar eksperimentu palīdzību:
Redi (1688), Splaciani (1765), Pastērs (1862)

10. 1668 g. Redi eksperiments – mušas nerodas no pūstošas gaļas.
Hipotēzes par dzīvības izcelšanos
1668 g. Redi eksperiments – mušas nerodas no pūstošas gaļas.
g. Pastēra pētījumi, kas pierāda mikroorganismu pašrašanās neiespējamību.
1865. g. - pasterizācija.

11. Hipotēzes par dzīvības izcelšanos
Panspermija
Anaksagors (dzīvības sēklas), Bercēliuss (1834), Kelvins (1871), Arēniuss (1903 starojums kā sporu nesējs), Kriks (1960)
Wickramasinghe, N. Chandra
Hoyle, Fred ( )
Mikroorganismi un vīrusi atrodami kosmisko putekļu mākoņos

12. Hipotēzes par dzīvības izcelšanos
Šūnām līdzīgas struktūras Alana kalna meteorīta struktūrā (1984)

13. Алекса́ндр Ива́нович Опарин; (1894. –1980.)
Hipotēzes par dzīvības izcelšanos
T. Hakslijs, 1868 – dzīvās šūnas no protoplazmas.
L. Trolands, 1914 – dzīvība no autokatalītiskiem enzīmiem
Oparina & Haldeina teorija: dzīvības rašanās no organisko vielu buljona reducējošā agrīnās Zemes atmosfērā. 20. g.s. 20.-tie gadi.
Nav nepārvaramas robežas starp dzīvo un nedzīvo dabu
Džons Haldeins
John B.S. Haldane ( )
Aleksandrs Oparins
Алекса́ндр Ива́нович Опарин; (1894. –1980.)

14. Hipotēzes par dzīvības izcelšanos
Millera-Uri (Stanley L. Miller & Harold C. Urey) eksperiments – organisko vielu rašanās iespēja agrīnās Zemes atmosfērā un ūdeņos
Manfreds Eigens (Eigen) – dzīvība rodas autokatalītisku ciklu un hiperciklu darbības rezultātā.
Iļja Prigožins (Prigogine) - fizikāli ķīmiskas sistēmās, sasniedzot kritisku robežu, veidojas pašorganizējošās, sakārtotas struktūra.

15. Hipotēzes par dzīvības izcelšanos
W.Martin, M.J. Russell
Par šūnu izcelšanos: hipotēze par evolūciju no abiotiskas ģeoķīmijas uz hemoautotrofiem prokariotiem un no prokariotiem uz šūnām ar kodolu. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B (2003) 358, 59–85

16. Dž. Šostaks (Jack W. Szostak, 1952.)
2009. g. NP par hromosomu telomeru atklāšanu un to funkciju noskaidrošanu
Dzīvības atkārtotas sintēzes teorētiskais pamatojums:
Synthesizing life
J.W. Szostak, D.P. Bartel & P.L. Luisi
NATURE|VOL 409 | 18 JANUARY 2001 |
Funkcionējoša protošūna
Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell
S.S. Mansy et al. NATURE|VOL 454 | 4 JUNE 2008 |

17. MIKROORGANISMI IZVEIDOJA VIDI PĀREJĀS DZĪVĪBAS ATTĪSTĪBAI

18. Prokarioti un primitīvi eikarioti
Daudz veidība
Prokarioti un primitīvi eikarioti
Tikai prokarioti
Zeme bez dzīvības

19. Hipotēzes par eikariotu šūnu un to organellu izcelšanos
1960- to gadu beigās Lina Margulis (Margulis, 1938) izvirzīja hipotēzi par to, ka mitohondriji, kuros notiek ATP sintēze, ir simbiotisku baktēriju pēcteči. Līdzīgas idejas tika izvirzītas par hloroplastu izcelšanos.

20. Hipotēzes par eikariotu šūnu un to organellu izcelšanos
Filips Bells (Philip Bell, postdoctoral research fellow at Macquarie University, New South Wales, Australia; founding Director of Microbiogen Pty Ltd.) vīrusu eikarioģenēzes teorijas (2001. – 2004.) autors. Lielie DNS vīrusi kā iespējamie šūnas kodola priekšteči evolūcijā.

21. PROKARIOTU VIELMAIŅAS ĪPATNĪBAS

22. PROKARIOTIEM RAKSTURĪGA METABOLISMA PROCESU, ENERĢIJAS IEGŪŠANAS CEĻU DAUDZVEIDĪBA

23. Pamatmetabolisms:
iedzimtības informācijas aprite;
enerģijas aprite;
šūnas struktūru veidojošo komponentu sintēze;
vielmaiņas atkritumu izvadīšana.

24. Brock’s Microbiology, 5-th edition
PROKARIOTIEM RAKSTURĪGA METABOLISMA PROCESU, ENERĢIJAS IEGŪŠANAS CEĻU DAUDZVEIDĪBA
Brock’s Microbiology, 5-th edition

25. VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI
Barības vielas
(būvmateriāli)
Atkritumi
Enerģija
Papild-
komponenti
Starpprodukti
Šūnas
komponenti
SEKUNDĀRAIS
METABOLISMS
Barības vielas
(kurināmais)
Atkritumi
PAMAT (PRIMĀRAIS) METABOLISMS

26. VIELMAIŅA (METABOLISMS) ENERĢIJA
KOMPLEKSAS REDUCĒTAS VIELAS
NO VIDES
VIENKĀRŠAS
VIELAS
(CO2; H2O)
NO VIDES
(cukurs, glikoze)
KOMPLEKSAS REDUCĒTAS VIELAS ŠŪNĀ
ADP
ATP
KATABOLISMS
ANABOLISMS
ENERĢIJA
VIENKĀRŠAS (OKSIDĒTAS) VIELAS ŠŪNĀ
VIENKĀRŠAS
VIELAS NO VIDES
ATKRITUMI, VIENKĀRŠAS OKSIDĒ-TAS VIELAS VIDĒ (piem., CO2; H2O)
(ūdens, sāļi)

27. KATABOLISMS; PIRMAIS POSMS
POLIMĒRI MONOMĒRI
Proteīni
Nukleīnskābes
Polisaharīdi
Tauki
Aminoskābes
Nukleotīdi
Monosaharīdi
(glikoze)
Taukskābes
Glicerīns

28. VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI MONOMĒRI 3 un 4 C-VIELAS; NH3
KATABOLISMS; OTRAIS POSMS
MONOMĒRI un 4 C-VIELAS; NH3
Pirovīnogskābe,
Dzintarskābe,
Urīnviela
Pirovīnogskābe
Acetil CoA
Aminoskābes
Nukleotīdi
Monosaharīdi
(glikoze)
Taukskābes
Glicerīns

29. KATABOLISMA REAKCIJAS
VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI
KATABOLISMA REAKCIJAS
a) oksidēšanas reakcijas – atbrīvojas organisko vielu reducējošais potenciāls;
b ) veidojas reducējošā potenciāla pārnesēji, piem., NADH+H+
c ) veidojas ATP
[-CH2O-]n + O2  CO2 + H2O
cukura oksidēšana
{CO2 + 2H++2e- + 1/2 O2}

30. Katabolisma otrais posms Katabolisma trešais posms
OTRAIS KATABOLISMA POSMS Glikozes sašķelšanas enzimātiskās reakcijas: GLIKOLĪZE
Embdena-Meijerhofa-Parnasa ceļā desmit enzīmi secīgās reakcijās sašķeļ vienu glikozes molekulu divās pirovīnogskābes molekulās.
Katabolisma otrais posms
C6H12O6
2x C3H4O H
Katabolisma trešais posms
Sašķeļot vienu glikozes molekulu līdz pirovīnogskābei, patērē 2 ATP molekulas, bet iegūst 4 ATP un 2 NADH +H+

31. Glikozes oksidēšanas rezultātā veidojas ar enerģiju bagāts savienojums nikotīn-adenīn- dinukleotīda reducētā forma (NADH+H+).
Reducēto NAD šūnas nevar uzkrāt, tas jāizmanto.

32. ATP adenozīna 5’ trifosfāts ADP adenozīna 5’ difosfāts

33. VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI
ATP VEIDOJAS NO ADP FOSFORILĒŠANAS REZULTĀTĀ
ATP SINTĒZE NO ADP KATABOLISMA REAKCIJU OTRAJĀ POSMĀ NOTIEK ENZIMĀTISKU REAKCIJU REZULTĀTĀ, IZMANTOJOT ĶĪMISKO SAIŠU PĀRKĀRTOŠANAS ENERĢIJU (SUBSTRĀTA LĪMEŅA FOSFORILĒŠANA).

34. Enzīms – piruvātkināze piruvāts = pirovīnogskābe
Substrāta līmeņa fosforilēšana
piruvāts = pirovīnogskābe

35. Glikozes oksidēšanas rezultātā veidojas ar enerģiju bagāts savienojums nikotīn-adenīn- dinukleotīda reducētā forma (NADH+H+).
Reducēto NAD šūnas nevar uzkrāt, tas jāizmanto.

36. KATABOLISMA REAKCIJĀS TIEK OKSIDĒTI ORGANISKIE SAVIENOJUMI UN VEIDOJAS REDUCĒTĀ NAD FORMA. NADH IR SPĒCĪGS REDUCĒTĀJS
Elektronu transporta ķēdi veido MEMBRĀNĀ saistīti proteīni. Tie pakāpeniski smazina no NADH+H+ (vai cita reducējošā potenciāla avota) ņemtā elektrona enerģiju un beigās atkal apvieno to ar protonu, pievienojot gala akceptoram (elpošanā – skābeklim).

37. KĀ ELEKTRONU TRANSPORTĀ ATBRĪVOTĀ ENERĢIJA TIEK IZMANTOTA ATP SINTĒZEI ?

38. Elektroni un protoni (no NADH+H+)
HEMIOSMOTISKĀ TEORIJA (P.Mitchell, Nobela prēmija ķīmijā gadā)
e -
Elektronu transporta ķēde
Elektroni un protoni (no NADH+H+) H+ H+ H+ H H+ H+ H+
CITOPLAZMA e- H+ +
ĀRPUSŠŪNAS TELPA H+ H+ H+
H2O
e -
1/2 O2+2H++2e - H+ H+
Citohromi
ADP + Pi
ATP sintetāze
ATP
MEMBRĀNA

39. 1997. g. Nobela prēmija par ATP sintetāzes darbības enzimātiskā mehānisma noskaidrošanu Paulam Boijeram un Džonam Volkeram
Senior, A.E. and Weber, J. (2004) Happy motoring with ATP synthase.
Nat. Struct. Mol. Biol. 11, 110–112

40. VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI
KATABOLISMS; TREŠAIS POSMS
3 un 4 C-VIELAS CO2 UN H2O
PIROVĪNOGSKĀBE
Katabolisma reakciju trešajā posmā, elpošanā, oksidējot 3 un 4 C savienojumus trikarbonskābju (Krebsa) ciklā, veidojot NADH+H+ un izmantojot tā reducējošo potenciālu elektronu transporta ķēdē, no divām pirovīnogskābes molekulām iegūst 30 ATP molekulas
URĪNVIELA
DZINTARSKĀBE

41. Trkarbonskābju ciklā no vienas glikozes molekulas iegūst:
KATABOLISMS; TREŠAIS POSMS
3 un 4 C-VIELAS CO2 ; H2O
KREBSA CIKLS NP medicīnā gadā
Trkarbonskābju ciklā no vienas glikozes molekulas iegūst:
8 NADH2
2 FADH2
2 GTP

42. ANABOLISMS
MONOMĒRI POLIMĒRI
Aminoskābes
Nukleotīdi
Monosaharīdu
fosfāti
Taukskābes
Glicerīns
Proteīni
Nukleīnskābes
Polisaharīdi
Tauki
KREBSA CIKLS

43. SAISTĪTAS METABOLISMA REAKCIJAS VEIDO METABOLISMA CEĻUS
VISAS METABOLISMA REAKCIJAS KATALIZĒ ENZĪMI

44. SAISTĪTAS METABOLISMA REAKCIJAS VEIDO METABOLISMA CEĻU KARTI

45. TRĪS GALVENIE METABOLISMA TIPU/TROFIJU RAKSTUROJOŠIE ELEMENTI
Trofija – barošanās veids
OGLEKĻA AVOTS (būvmateriāli)
AUTOTROFIJA - CO2
HETEROTROFIJA - ORGANISKĀS VIELAS

46. ENERĢIJAS AVOTS (siltuma ieguves process – krāsns, saules baterijas, siltuma sūknis)
FOTOTROFIJA - GAISMA
HEMOTROFIJA - OKSIDĒŠANA (gan organisku, gan neorganisku vielu)

47. REDUCĒJOŠĀ POTENCIĀLA (H+, e -) AVOTS (siltuma avots – malka, ogles, gruntsūdeņi)
ORGANOTROFIJA - ORGANISKĀS VIELAS
LITOTROFIJA - NEORGANISKĀS VIELAS

48. VISI ORGANISMI
Enerģijas avots
Gaisma
Oksidēšanās reakcijas
Hemotrofi
Fototrofi
Baktērijas Vienšūņi - protozoji Sēnes Dzīvnieki
Baktērijas Vienšūņi - aļģes Augi

49. Fototrofi
Oglekļa avots
Ogļskābā gāze, CO2
Organiskās vielas
Fotoheterotrofi
Fotoautotrofi
e- no organiskām vielām
e- no neorganiskām vielām
no H2S, S2O32- un taml.
no ūdens
Zaļās un sarkanās bez-sēra baktērijas, halofī-lās arhebaktērijas
Cianobaktērijas, aļģes, AUGI
Zaļās un sarkanās sēra baktērijas
Skābekli neveidojošā (anoksigēnā) fotosintēze
Skābekli veidojošā (oksigēnā) fotosintēze

50. SKĀBEKLI NEVEIDOJOŠĀ FOTOSINTĒZE BAKTĒRIJĀS
Fotosintēze bez citohromiem, veidojot protonu un jonu gradientus ar rodopsīna palīdzību halofīlajās arhebaktērijās

51. SKĀBEKLI NEVEIDOJOŠĀ FOTOSINTĒZE BAKTĒRIJĀS
Hēms, hlorofīls
Sarkanajās un zaļajās bezsēra baktērijās H+ un C avots ir organiskas vielas. Senākais metabolisma tips? FOTO_HETERO_ORGANO_TROFIJA
Sarkanajās un zaļajās sēra baktērijās H+ avots ir neorganiskas vielas, piem., H2S, bet oglekļa avots var būt gan organiskās vielas, gan CO2. FOTO_AUTO_LITO_TROFIJA vai FOTO_HETERO_LITO_TROFIJA

52. SKĀBEKLI VEIDOJOŠĀ FOTOSINTĒZE CIANOBAKTĒRIJĀS, AĻĢĒS UN AUGOS
FOTO_AUTO_ LITO_TROFIJA

53. e- no neorganiskām vielām hemo_auto_lito_trofi
Hemotrofi
Oglekļa avots
Organiskās vielas
Ogļskābā gāze, CO2
Hemoheterotrofi
Hemoautotrofi
e- no neorganiskām vielām hemo_auto_lito_trofi
e- no organiskām vielām hemo_hetero_organo_trofi
Dzīvnieki, vai-rums sēņu, pro-tistu, baktēriju
Ūdeņraža, sēra, dzelzs, nitrificējošās baktērijas, CH4 veid. arhebaktērijas

54. O2 IZLIETOTĀ REDUCĒJOŠĀ POTENCIĀLA (H+, e -) GALA SAVĀCĒJS (izdedži)
e- gala akceptors
neorganiskās vielas
organiskās vielas
Baktērijas, sēnes (raugi) O2
citas oksidētas vielas, piem., NO3, CO2, SO4
Dzīvnieki, sēnes, prozoji, baktērijas
Sulfātu, sēru, amoniju, dzelzi oksidējošās, denitrificējošās baktērijas
Rūgšana
Elpošana
Anaerobā elpošana

55. Kur likt reducējošo potenciālu, ja ELEKTRONU TRANSPORTS MEMBRĀNĀS NAV IESPĒJAMS ?
RŪGŠANA

56. PIENSKĀBĀ RŪGŠANA NADH+H+ NAD+ PIENSKĀBE PIROVĪNOGSKĀBE
LAKTĀTDEHIDROGENĀZE

57. PIRUVĀTDEKARBOKSILĀZE
SPIRTA RŪGŠANA
- CO2
ACETALDEHĪDS
PIROVĪNOGSKĀBE
PIRUVĀTDEKARBOKSILĀZE

58. ALKOHOLDEHIDROGENĀZE
SPIRTA RŪGŠANA
NADH+H NAD+
ACETALDEHĪDS
ETANOLS
ALKOHOLDEHIDROGENĀZE
Zymomonas, raugi

59. CITI RŪGŠANAS TIPI BUTANOLA - ACETONA Clostridium butyricum
PROPIONSKĀBES
Clostridium proponicum Propionobacterium
SVIESTSKĀBES
Clostridium butyricum
METANOGĒNĀ
Methanotrix, Methanosarcina
ETIĶSKĀBĀ
C. aceticum, Acetobacterium
Enterobaktērijas
SKĀBJU MAISĪJUMS