учебники микра / Lektsii_Shvidenko

Лекция 1 – Морфология бактерий

Вэтом семестре вы приступаете к изучению одной из фундаментальных медико

– биологических наук – микробиологии.

Вэтом семестре мы изучим общие аспекты и закономерности биологии микроорганизмов – их систематику, морфологию, физиологию, генетику, а так же способы защиты макроорганизма от проникновения в него возбудителей инфекционных заболеваний.

Наша кафедра является одной из старейших кафедр Саратовского медицинского университета. В ее стенах ведется не только подготовка студентов и повышение квалификации врачей, но и большая научная деятельность. В разное время на базе научных лабораторий кафедры были организованы: Всероссийский противочумной институт, Центральный научно – исследовательский институт генетики и селекции микроорганизмов, институт биометрии и биомедицинских технологий.

Микробиология как наука существует уже более трехсот лет и берет свое начало от исследований крупнейшего естествоиспытателя ХУ11 – ХУ111 века – Антония Левенгука, который создал простейший микроскоп и впервые описал микроорганизмы, или как он их тогда назвал animalculae vivae (живые зверьки) в своей книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком». Хотя сам Левенгук не смог оценить роли описанных им микроорганизмов в патологии человека, его открытие дало неоценимый толчок развитию естественных наук вообще и медицины в частности. Более чем через 100 лет после Левенгука в 30 годах Х!Х столетия, первым, кто сумел сформулировать идею о связи между инфекциями и их возбудителем был французский медик Я.Генле. Поначалу его предположения подвергались критике, но затем, то одним ученым, то другим удавалось обнаружить и описать при определенных заболеваниях однотипные микроорганизмы.

Эти исследования предшествовали признанию этиологической роли микроорганизмов при различных инфекционных заболеваниях людей и животных. Так были описаны возбудители трихомоноза, трихофитии, сибирской язвы, а в дальнейшем туберкулеза, гонореи и других.

Бурное развитие и становление микробиологии как самостоятельной единой естественнонаучной дисциплины, имеющей свои объекты и оригинальные методы их исследования, пришлось на вторую половину Х!Х века. Наиболее значительный вклад в развитие микробиологии внесли ученые разных стран, такие как Пастер, Кох, Эрлих, Мечников

Как в любой другой науке, в микробиологии есть свои термины, определения и первичные положения. Запишите некоторые из них: Микробиология – наука, предметом изучения которой являются микроскопические существа – микроорганизмы, их биологические признаки, систематика, экология, взаимоотношения с другими организмами.

Взависимости от задач микробиологическая наука разделяется на:

-общую микробиологию, которая изучает наиболее общие закономерности, структуру, метаболизм, генетику, экологию микроорганизмов.

-техническую микробиологию - это разработка биотехнологий в промышленности, изучение процессов биокоррозии и биодеградации на промышленных предприятиях.

2

-сельскохозяйственную микробиологию – это изучение процессов паразитирования между растениями и микроорганизмами и сельскохозяйственными животными.

-ветеринарную микробиологию, которая изучает возбудителей различных заболеваний животных.

-санитарную микробиологию. которая изучает санитарно – микробиологическое состояние объектов окружающей среды, пищевых продуктов и т.д. -медицинскую микробиологию и иммунологию.

Предметом изучения медицинской микробиологии являются болезнетворные микроорганизмы. А также методы микробиологической диагностики, специфической профилактики и этиотропной терапии вызываемых ими инфекционных заболеваний. Микробиология относится к фундаментальным медико–биологическим дисциплинам и наряду с биохимией, общей и частной патологией и фармакологией лежит в основе изучения инфекционной патологии.

Микроорганизмы – это организмы, не видимые невооруженным глазом.

Классификация микроорганизмов.

Мир микроорганизмов более разнообразен, чем мир макроорганизмов. Их классификация постоянно претерпевает изменения. Согласно современной систематике, все микроорганизмы подразделяются на три царства:

-царство Eucaryotae (грибы, паразиты);

-царство Procaryotae, царство Vira.

Прокариоты подразделяются на отдел бактерий и класс микроорганизмов, лишенных клеточной стенки, называемый Mollicutes.

Отдел бактерий в свою очередь подразделяется на порядки :

-порядок собственно бактерий -порядок актиномицетов -порядок спирохет -порядок риккетсий -порядок хламидий.

Впорядки объединены различные семейства, семейства состоят из родов, рода из видов.

ВИД – является основной таксономической единицей в микробиологии и определяется как эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющая единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими признаками.

Однако, перечисленные признаки в пределах одного вида могут варьировать. Поэтому внутри вида могут выделяться по АГ строению – серотипы, серовары; по чувствительности к бактериофагам – фаговары; по чувствительности к

антибиотикам – антибиотиковары; по чувствительности к колицинам – колициновары; по морфологии – морфовары; по АГ строению – серовары .

Основные отличия прокариот от эукариот : Прокариоты не имеют

-морфологически оформленного ядра (нет ядерной мембраны и отсутствует ядрышко) - его эквивалентом является нуклеоид или генофор, который представляет собой замкнутую двунетевую кольцевую молекулу ДНК,

аналогии с эукариотами эту молекулу называют хромосомой бактерий;

-не имеют сетчатого аппарата Гольджи;

-не имеют эндоплазматического ретикулама ( сети).

-не имеют митохондрий.

-их рибосомы имеют константу седиментации 70 S.

Имеется также ряд признаков или органелл, характериных для многих, но не для всех прокариот, которые позволяют отличить их от эукариотов:

-многочисленные инвагинации ЦПМ, которые называют мезосомами, они связаны с нуклеоидом и участвуют в делении клетки, спорообразовании, и дыхании бактериальной клетки; -специфический компонент клеточной стенки – муреин, по химической структуре

– это пептидогликан (диаминопиеминовая кислота).

-плазмиды-автономно реплицирующиеся кольцевые молекулы двунитевой ДНК. Они находятся наряду с нуклеоидом в цитоплазме, хотя могут быть и интегрированы в него и несут наследственную информацию, не являющуюся жизненно необходимой для микробной клетки, но обеспечивающие ей те или иные селективные преимущества.

Систематика, морфология, ультраструктура и химический состав бактерий. Бактерии – это одноклеточные микроорганизмы относящиеся к царству прокариотов, лишенные оформленного ядра и хлорофилла, способные образовывать ассоциации сходных клеток. Размеры бактерий варьируют в значительных пределах от 0,1 до 20 – 30 мкм.

Систематика бактерий – это таксономическое положение бактерий, указывающее на их родство с другими бактериями.

В настоящее время используется ряд таксономических систем: нумерическая таксономия, хемотаксономия, генетическая таксономия м серологическая таксономия.

-нумерическая таксономия признает равноценность всех признаков бактерий. Для ее применения необходимо иметь информацию о многих десятках признаков. Видовая принадлежность исследуемого микроорганизма устанавливается в случае максимального совпадения его признаков с признаками описанными в определителях бактерий. При этом для всех бактерий учитывается частота встречаемости данного признака у данного вида бактерий. Для названия микроорганизмов используется латинская биноминальная номенклатура Карла Линнея, согласно которой первое слово обозначает род, второе вид.

Генетическая классификация – в основе ее лежит степень генетического родства, основана на изучении строения генома, определения % содержания в геноме гуанина\цитозина.

Морфология бактерий Морфология бактерий – это внешняя форма клетки. Основные морфологические формы :

Шаровидные (кокки) по характеру расположения кокков делятся на:

-микрококки (отдельное изолированное расположение) -диплококки (сцепленное попарно);

4

-тетракокки (сцепленные по четыре). -стрептококки (сцепленные в цепочку).

- сарцины (сцепленные в пакеты по 8, 12, 16 ).

-стафилококки (сцепленные беспорядочно в виде виноградной грозди). Палочковидные -по характеру расположения делятся на :

-бактерии или бациллы (отдельно расположенные).

-диплобактерии или диплобациллы (сцепленные попарно)

-стрептобактерии (сцепленные в цепочку).

Извитые формы – по характеру и количеству завитков делятся на:

-вибрионы –слегка изогнутые палочки – одна запятая; -спириллы, имеют до 8 завитков;

-и спирохеты, которые в свою очередь делятся бореллии и трепонемы; -лептоспиры.

Методы изучения морфологии. Световая микроскопия :

-иммерсионнаяприменяется для изучения окрашенных мазков препаратов.

-темнопольная и фазовоконтрастная - применяется для изучения неокрашенных препаратов в слое жидкости (препараты висячая или раздавленная капля).

-люминисцентная, электроннаяприменяется для изучения нативных мазков, лкрашенных или неокрашенных флюорохромами, при облучении их коротковолновым излучением.

Органеллы бактриальной клетки, их строение и функции Структурные компоненты бактериальной клетки делятся на обязательные и необязательные.

Обязательные компоненты: клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма с локализованными в ней рибосомими и ядерным аппаратом. Необязательные компоненты: капсула, микрокапсула, внеклеточная слизь, включения, жгутики, пили, споры.

Клеточная стенка Функция клеточной стенки состоит в том, что она является :

-осмотическим барьером;

-определяет форму бактериальной клетки;

-защищает клетку от воздействия окружающей среды;

-несет разнообразные рецепторы, способствующие прикреплению фагов, колицинов, а также различных химических соединений; -через клеточную стенку в клетку поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена;

-в клеточной стенке локализован О – антиген бактерий и с ним связан эндотоксин бактерий.

Клеточная стенка представлена слизистой оболочкой, это биогетерополимер, имеющий сложное строение, который покрывает всю поверхность клетки, различают три слоя:

-наружний – липопротеиновый;

-средний – липополисахаридный;

-внутренний – мукопептидный.

случаях ее основу составляет пептидогликан муреин, (у некоторых, например ГР+ бактерий он связан с тейхоевыми кислотами). У одних бактерий – 1 тип, он составляет до 90% массы клеточной стенки и образует многослойный до 10 слоев каркас. Такие бактерии при окраске по методу Грамма прочно удерживают комплекс генцианового фиолетового красителя - они окрашиваются в сине – фиолетовый цвет и называются Гр (+).

У бактерий со вторым типом строения клеточной стенки поверх 2- 3 слоев пептидогликана – муреина располагается слой липополисахаридов. Эти бактерии при окраске по Грамму не способны прочно связывать комплекс красителей, и соответственно, обесцвечиваются спиртом. Поэтому их дополнительно прокрашивают фуксином в розово – красный цвет. Это Гр (-) бактерии.

В связи с различиями в строении клеточной стенки все бактерии делятся на 4 отдела:

-грациликуты – бактерии с тонкой клеточной стенкой, Гр(-), извитые, палочковидные, кокковые формы бактерий, риккетсии и хламидии.

-формикуты – бактерии с толстой клеточной стенкой, Гр(-), к ним относятся палочковидные, кокковые формы, актиномицеты, коринебактерии, микобактерии.

-тенерикуты – бактерии без ригидной клеточной стенки – микоплазмы.

-мендозикуты – архебактерии, отличающиеся дефектной клеточной стенкой, особенностями строения рибосом, мембран и рибосомальных РНК.

Из любой бактериальной клетки можно получить форму, полностью или частично лишенную клеточной стенки Они называются соответственно, протопласты и сферопласты. Весьма существенным является то, что под воздействинм химиопрепаратов и других факторов. Нарушающих формирование клеточной стенки, они могут образовываться в организме больного, но при этом бактреии сохраняют способность взаимодействовать с организмом больного.

Кроме того существуют, так называемые L – формы бактерий, которые в отличии от протопластов и сферопластов способные к размножению - это сферические образования разных размеров. Существуют стабильные L-формы, не способные реверсировать в исходный морфотип и нестабильные L -формы, реверсирующие в исходный тип при устранении причин, вызывающих их образование. В процессе реверсии восстанавливается способность бактерий синтезировать пептидоглика – муреин клеточной стенки. L формы различных бактерий играют существенную роль в патогенезе многих хронических рецедивирующих заболеваний (бруцеллез, туберкулез, сифилис).

Цитоплазматическая мембрана и мезосомы.

-ЦПМ является жизненнонеобходимым структурным компонентом бактериальной клетки. Она ограничивает протопласт, располагаясь непосредственно под клеточной стенкой. ЦПМ – это липопротеин. Является сложно орагнизованной структурой, состоящей из нескольких слоев. Двойной фосфолипидный слой пронизан белковыми глобулинами, которые обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку. ЦПМ выполняет жизненно важные функции, нарушение которых приводит бактериальную клетку к гибели

ионов, участие в метаболизме, репликации ДНК, а у ряда бактерий в процессах спорообразования.

Мезосомы

-являются производными ЦПМ;

-они имеют неодинаковое строение у разных бактерий, располагаясь в разных частях клетки либо в виде концентрических мембран, либо пузырьков, инвагинаций, либо в виде петли;

-мезосомы связаны с нуклеоидом;

-они участвуют в процессе деления и спорообразования, дыхании клетки.

Цитоплазма, рибосомы, включения Цитоплазма - это физический, осмотический и метаболический барьер

между внутренним содержимым бактериальной клетки и внешней средой. Он имеет сложную трехслойную структуру. У прокариот представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из 75% воды, минеральных соединений, белков, РНК, ДНК, которые входят в сотав органелл нуклеоида, рибосом, мезосом, включений.

Рибосомы у бактерий представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы, состоящие из двух субъединиц 30S и 50S. Бактериальные рибосомы являются белоксинтезирующими системами клеток.

Включения являются продуктами метаболизма про – и эукариотических

микроорганизмов, которые располагаются в их цитоплазме и используются в качестве запасных питательных веществ. К ним относятся включения гликогена, крахмала, серы, полифосфата (валютина) и др. Зерна валютина – это метахроматические включения. Например, у включения у дифтерийной палочки.

Ядерный аппарат.

-у прокариотов нет оформленного ядра – его аналог нуклеоид;

-он имеет фибриллярную структуру;

-не имеет основных белков – гистонов; -не содержит хромосом;

-не делится митозом.

Внем содержится двунитевая молекула ДНК, а также небольшое количество РНК и белков. Молекула ДНК представляет собой замкнутую кольцевую

структуру, в которой закодирована почти вся наследственная информация клетки, т.е. геном клетки. ДНК часто обозначается как хромосома. При этом следует помнить, что она представлена в клетке в единственном числе, поскольку

бактерии являются гаплоидными. Однако, перед делением клетки число нуклеоидов

удваивается, а во время деления увеличивается до 4 и более. Плазмиды

Наряду с нуклеоидом в цитоплазме могут находится автономные кольцевые молекулы двунитчатой ДНК с меньшей молекулярной массой, которых получили название плазмид. В них также закодирована наследственная информация. Это необязательные структуры бактериальной клетки.

Капсула Капсула бактерий – это утолщенный наружный слой клеточной стенки.

Капсулы могут быть построены из полисахаридов (пневмококк) или белков

патогенных, образуют капсулу только в организме человека или животных. Однако, существует род истинно капсульных бактерий (Klebsiella), представители которого образуют капсулу и при культивировании на искусственно питательных средах. Некоторые бактерии могут иметь микрокапсулу, например, эшерихии, или неявно выраженную способность к капсулообразованию – так называемую «нежную капсулу», например, золотистые стафилококки, менингококки. Основное предназначение капсулы – защита бактерий от фагоцитоза.

Наружный слизистый слой - синегнойная палочка продуцирует экзополисахариды, которые образуют наружный слизистый слой.

Споры бактерий Споры бактерий представляют собой бактериальные клетки в состоянии

анабиоза и образуются при неблагоприятных условиях внешней среды. Располагаться могут внутри клетки терминально, субтерминально или центрально.

В процессе спорообразования клетка почти полностью теряет воду, смарщивается, клеточная стенка уплотняется, появляется новое вещество дипиколинат кальция, которое образует комплексы с биополимерами клетки, устойчивые к действию температуры и ультрофиолетовых лучей. В окружающей среде споры бактерий могут сохраняться годами, но при попадании в благоприятные условия спора впитывает влагу, комплексы распадаются, дипиколинат разрушается и спора превращается в вегетативную клетку.

Таким образом, спору следует рассматривать не как способ размножения клетки (как это часто имеет место у грибов), а только как способ существования бактериальной клетки в неблагоприятных условиях. При этом надо запомнить – 1 клетка1спора- 1 клетка.

Спорообразование характерно в основном для Гр(+) бактерий. У Гр(-) эквивалентом спорообразования является переход в так называемое некультивируемое состояние. В такой форме они могут длительно сохраняться в окружающей среде.

Эндоспоры и спорообразование

В процессе спорообразования бактериальная клетка подвергается сложной перестройке. На одном из ее полюсов происходит конденсация нуклеоида и отделение его за счет образования септы. Затем ЦМ начинает обрастать протопластом

ивозникает складка, состоящая из двух слоев ЦМ, которые позднее склеиваются в результате образовавшаяся преспора окружается двойной оболочкой. На следующей стадии между двумя мембранами, окружающими предспору, формируется толстый слой кортекса. Самый внутренний его слой представляет зародышевую стенку. По мере созревания споры обе ее мембраны участвуют в образовании специальных слоев споры. Таким образом, между обращенными друг к другу мембранами, образуется еще

инаружная и внутренняя оболочка эндоспоры. Сформировавшаяся эндоспора состоит из протопласта, нуклеоида, стенки споры, кортекса, оболочки, эндосперма. Процесс образования спор более чем 400 контролируется оперонами.

Жгутики

входит белок флагеллин, который по своей структуре относится к сократимым белкам типа миозина. Поэтому жгутики обеспечивают подвижность бактерий. Количество и расположение жгутиков у разных бактерий неодинаково:

-монотрихи – на одном из полюсов клетки имеют один жгутик, -лофотрихи – пучок жгутиков; -амфитрихи - жгутики расположены на обеих полюсах клетки;

- перитрихи – расположены по всей поверхности.

Ворсинки-пили

В отличие от жгутиков они не выполняют локомоторную функцию.

Различают пили:

-1 порядка – пили общего типа – адгезины – они отвечают за прикрепление к субстрату, питание, регуляцию водно-солевого обмена;

-2 порядка – половые пили – создают контакт между клетками, осуществляя между ними передачу генетической информации;

-пили 4 типа – у некоторых концы обладают гидрофобностью, в результате чего они закручиваются – кудряшки «curli». Располагаются по полюсам клетки. Эти пили встречаются у патогенных бактерий. Они обладают АГ свойствами, осуществляют контакт бактерий с клеткой-хозяина. Участвуют в образовании биопленки.

Лекция 2 - Физиология бактерий

Физиология бактерий изучает особенности обмена веществ, питания, роста и

размножения бактерий.

Обмен веществ присущ бактериям, как и всем живым существам. Метаболизм складывается из единства и борьбы противоположностей: катаболизма и анаболизма. Метаболизм (анаболизм и катаболизм) – совокупность двух

противоположных взаимосвязанных процессов катаболизма и анаболизма.

Катаболизм –распад веществ в процессе ферментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ.

Анаболизм – синтез веществ с затратой энергии.

Изучают метаболизм бактерий с помощью биохимических и физико – химических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на питательных средах, определенные субстраты. Особенности метаболизма у бактерий.

1.метаболизм бактерий характеризуется ярко выраженным разнообразием.

2.Напряженность (интенсивность) процессов метаболизма. 3.Все процессы направлены на рост и размножение клетки. 4.Преобладают процессы распада (катаболизма).

5.В метаболизме у бактерий принимают участие как эндоферменты, так и экзоферменты.

Углеводный обмен, горение, брожение.

Углеводный обмен – это процесс синтеза и распада углеводов. Сложные

углеводы внешней среды могут расщепить только те бактерии, которые выделяют

ряд экзоферментов (полисахаридазы, олигосахаридазы). Внутрь клетки из углеводов может поступать только глюкоза. ЕЕ судьба двояка. Меньшая ее часть

подвергается дальнейшему расщеплению. Оно может идти двумя путями: Горение – это расщепление углеводов в аэробных условиях. Конечные продукты

газ и вода.

Брожение – это расщепление углеводов в анаэробных условиях. В зависимости от промежуточных продуктов различают спиртовое, молочнокислое, пропионо-

кислое, масляно-кислое и др.виды брожения.

Способность бактерий расщеплять углеводы обозначается как сахаролитическая активность.

Изучается углеводный обмен в процессе культивирования исследуемых бактерий на средах Гисса (полужидких средах, содержащих углевод и индикатор, реагирующий на появление кислых продуктов распада углеводов).

Белковый обмен.

Белковый обмен – это процесс синтеза собственных аминокислот и белков путем ассимиляции необходимых компонентов из внешней среды.

Во внешней среде содержатся сложные белки. Их расщепляют только те бактерии,

которые выделяют ферменты протеазы. Расщепление белков идет до пептонов.

Тление –расщепление белков в аэробных условиях. Гниение –расщепление белков в анаэробных условиях.

Протеолитические свойства - способность расщеплять белки до промежуточных продуктов распада – пептонов - изучается при посеве на желатин и (или) лакмусовое молоко. При наличии протеаз у бактерий желатин разжижается, а в молоке образуется сгусток кремового цвета, а над ним светлая, прозрачная жидкость).

Пептолитические свойства - способность расщеплять только промежуточные продукты распада белков – пептоны, до элементарных радикалов) изучается при посеве бактерий в мясо – пептонный бульон. Под крышку пробирки помещают индикаторные полоски, способные изменять свой цвет в присутствии летучих продуктов распада пептонов(аммиака, сероводорода, индола).

Протео - и пептолитические свойства изучают для идентификации возбудителей.

Энергетический обмен у бактерий - окисление, ферментация. В основе энергетического обмена у бактерий лежат окислительно-восстановительные процессы, в результате которых клетка запасает энергию в виде молекул АТФ.

Образование этих молекул происходит при переносе протонов и электронов от донора к акцептору.

Различают 2 основных окислительно–восстановительныхпроцесса: дыхание (окисление) и брожение (ферментация)

Дыхание - биологический процесс окисления различных органических веществ, при котором происходит перенос протонов и электронов от:

-субстрата (донора) к кислороду (акцептору) и образование молекул АТФ.

Ферментация – это метаболический процесс, при котором:

По типу дыхания микроорганизмы делятся на

Аэробы, которые нуждаются в свободном кислороде. Облигатные (строгие)

аэробы (наример, некоторые виды псевдомонад) не могут жить и размножаться в отсутствии молекулярного кислорода, поскольку они используют его в качестве акцептора электронов. Молекулы АТФ образуются или при

окислительном фосфорилировании с участием цитохромоксидаз, флавинзависимых оксидаз и дегидрогеназ. При этом, если конечным акцептором

электронов является О2, выделяется значительное количество энергии. Анаэробы –получают энергию при отсутствии доступа кислорода путем ускоренного, но не полного расщепления питательных веществ. Облигатные анаэробы (например, возбудители столбняка, ботулизма) не переносят даже следов кислорода. Они могут образовывать АТФ в результате окисления углеводов, белков, липидов путем субстратного фосфорилирования до пирувата. При этом выделяется сравнительно небольшое количество энергии.

Факультативные анаэробы, которые могут расти и размножаться как в присутствии кислорода воздуха, так и без него. Они образуют АТФ при окислительном и субстратном фосфорилировании.

Питание бактерий.

Питание – процесс потребления различных органических и минеральных соединений, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов.

Бактериальная клетка не имеет специальных органов питания - является голофитной по способу потребления питательных веществ.

Существуют три основных механизма поступления питательных веществ в бактериальную клетку : пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт.

Пассивный транспорт.

Осуществляется за счет различного содержания питательных веществ в среде и в клетке и происходит в направлении от большой концентрации к меньшей, т.е. по градиенту концентрации. Таким путем в клетку проникает вода и выходит из нее вместе с растворенными в ней различными мелкими молекулами, способными проходить через мелкие поры мембраны. Для пассивной диффузии характерно отсутствиесубстратной специфичности и она не требует затраты энергии.

Облегченная диффузия Характеризуется выраженной субстратной специфичностью и протекает при

обязательном участии специфических белков, локализованных в мембране – это пермиазы – «проходящие сквозь». Они распознают и связывают молекулу субстрата на внешней стороне мембраны и обеспечивают ее перенос через мембрану. Облегченная диффузия происходит только по градиенту концентрации – поэтому не требует затрат энергии.

Активный транспорт.