- •Глава 1. Предмет и задачи медицинской микробиологии и иммунологии
- •Мир микробов. Общие сведения
- •Микробиология — наука о микробах
- •Иммунология — наука об иммунитете
- •Связь микробиологии с иммунологией
- •История развития микробиологии и иммуно тогии
- •Isbn 5-225-04208-2 © Издательство «Медицина»,
- •Глава 1. Предмет и задачи медицинской микробиологии и иммунологии
- •Мир микробов. Общие сведения
- •Микробиология — наука о микробах
- •Связь микробиологии с иммунологией
- •История развития микробиологии и иммуно тогии
- •Глава 2. Классификация и морфология микробов
- •Систематика и номенклатура микробов
- •Классификация и морфология бактерий
- •Строение и классификация простейших
- •Основные методы изучения морфологии микробов
- •Глава 3. Физиология микробов
- •Физиология бактерий
- •Рост и размножение бактерий
- •Особенности физиологии грибов и простейших
- •Глава 4. Экология микробов
- •Распространение микробов в окружающей среде
- •Микрофлора почвы
- •4 1.2. Микрофлора воды
- •Микрофлора продуктов питания
- •Действие излучения
- •Действие химических веществ
- •Действие биологических факторов
- •Уничтожение микробов в окружающей среде
- •Стерилизация
- •Дезинфекция
- •Асептика и антисептика
- •Санитарная микробиология
- •Микробиологический контроль лекарственных средств
- •Глава 5. Генетика микробов
- •5‘ Конец
- •Фосфат fc-q
- •Особенности генетики вирусов
- •4. Применение генетических методов в диагностике инфекционных болезней
- •Метод молекулярной гибридизации
- •Глава 6. Биотехнология. Генная инженерия
- •Предмет и задачи биотехнологии
- •3. Объекты и процессы в биотехнологии
- •Генетическая инженерия в биотехнологии
- •Глава 7. Противомикробные препараты
- •Химиотерапевтические лекарства
- •Глава 8. Учение об инфекции
- •Понятие об инфекционной болезни
- •Участники инфекционного процесса
- •Стадии инфекционного процесса и его уровни
- •Патогенные и условно-патогенные микробы
- •Роль окружающей среды
- •Характерные особенности инфекционных болезней
- •8 7. Формы инфекционного процесса
- •Глава 9. Учение об иммунитете
- •Виды иммунитета
- •Созревание, размножение, дифферениировка
- •Патология иммунной системы
- •Реакции антиген — антитело и их практическое применение
- •Реакция преципитации
- •Реакция с использованием меченых антител или антигенов
- •Глава 10. Иммунопрофилактика и иммунотерапия болезней человека
- •Вакцины
- •Убитые вакцины
- •Лекарственные формы вакцин
- •Массовые способы вакцинации
- •10.2.7. Производство вакцин и их контроль
- •Бактериофаги
- •Эубиотики
- •Диагностические препараты
- •Классификация микробов по степени их биологической опасности. Номенклатура микробиологических лабораторий
- •112. Санитарно-техническое оснащение лаборатории
- •Правила работы в микробиологической лаборатории
- •Принципы микробиологической диагностики инфекционных болезней
- •11.S. Принципы иммунологической диагностики болезней человека
- •Глава 12. Возбудители кишечных инфекций
- •Возбудители бактериальных кишечных инфекций
- •Возбудители эшерихиозов
- •Возбудители дизентерии
- •Возбудители брюшного тифа и паратифов
- •Возбудители кишечного иерсиниоза и псевдотуберкулеза
- •1.7. Возбудители бруцеллеза
- •Возбудитель хеликобактериоза
- •Возбудители лептоспироза
- •Вирусы энтеральных гепатитов
- •Возбудитель лямблиоза
- •Глава 13 возбудители респираторных инфекционных болезней
- •Возбудители вирусных респираторных инфекций
- •Вирусы гриппа
- •2.2. Вирусы — возбудители других острых респираторных вирусных инфекций
- •Вирус эпидемического паротита
- •Вирус краснухи
- •Вирус оспы обезьян
- •Вирус ветряной оспы и опоясывающего герпеса
- •Глава 14. Возбудители кровяных инфекционных болезней
- •Возбудители бактериальных кровяных инфекций
- •Возбудитель туляремии
- •Возбудители риккетсиозов
- •Глава 15. Возбудители инфекционных болезней наружных покровов
- •Возбудители грибковых инф кций
- •Глава 16. Общие черты зоонозных инфекций
- •Глава 17. Онкогенные вирусы
- •Глава 18. Медленные вирусные инфекции
- •9Теории 210
Глава 3. Физиология микробов
Физиология микробов — раздел микробиологии, изучающий жизнедеятельность микробов, процессы их питания, обмена, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой.
Выяснение физиологии микробов важно для понимания патогенеза, постановки микробиологического диагноза, проведения лечения и профилактики инфекционных заболеваний, регуляции взаимоотношений человека с окружающей средой и т.д.
Физиология бактерий
Бактерии отличаются своеобразным химическим составом, разнообразными типами питания, способами получения энергии, быстрым размножением, высокой приспособляемостью и устойчивостью ко многим факторам окружающей среды.
Химический состав бактерий
В состав бактерий, как и других микробов, входят вода, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, минеральные вещества
Вода — основной компонент бактериальной клетки, составляющий около 80 % ее массы. В спорах количество воды уменьшается до 18—20 %. Вода является растворителем для многих веществ, а также выполняет механическую роль в обеспечении тургора. При плазмолизе — потере клеткой воды в гипертоническом растворе — происходит отслоение протоплазмы от клеточной оболочки. Удаление воды из клетки (высушивание) приостанавливает процессы метаболизма. Большинство бактерий хорошо переносит высушивание, но при недостатке воды они не размножаются. Высушивание в вакууме из замороженного состояния (лиофилизация) также прекращает размножение и способствует длительному сохранению бактерий.
Белки составляют 40—80 % сухой массы бактерий. Они определяют важнейшие биологические свойства бактерий. Молекулы этих белков обычно состоят из сочетаний 20 остатков обычных аминокислот. Кроме того, в состав бактерий входит диа- минопимелиновая кислота (ДАП), отсутствующая в клетках человека и животных. Бактерии содержат более 2000 различных белков, находящихся в структурных компонентах и участвующих в процессах метаболизма. Большая часть белков обладает ферментативной активностью. Белки бактериальной клетки обусловливают антигенность и иммуногенность, вирулентность, видовую принадлежность бактерий.
Нуклеиновые кислоты бактерий выполняют функции, аналогичные таковым нуклеиновых кислот эукариотических клеток: молекула ДНК в виде хромосомы обусловливает наследственность, РНК (информационная, или матричная, транспортная и рибосомная) участвуют в биосинтезе белка.
Бактерии можно характеризовать (таксономически) по содержанию суммы гуанина и цитозина (Г и Ц) в молярных процентах (М%) от общего количества оснований ДНК. Более точной характеристикой микроорганизмов является гибридизация их ДНК. Основой метода гибридизации ДНК является способность денатурированной (однонитевой), «расплетенной» ДНК ренату- рироваться, т.е. соединяться с комплементарной нитью ДНК и образовывать двухцепочечную молекулу ДНК.
Углеводы бактерий представлены простыми веществами (моно- и дисахаридами) и комплексными соединениями. Полисахариды часто входят в состав капсул. Некоторые внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.) являются запасными питательными веществами клетки.
Липиды входят в состав цитоплазматической мембраны и ее производных, а также клеточной стенки бактерий, например наружной мембраны, где, кроме бимолекулярного слоя липидов, имеется ЛПС. Липиды могут выполнять в цитоплазме роль запасных питательных веществ. Липиды бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицеридами. Наибольшее количество липидов (до 40 %) содержат микобактерии туберкулеза.
Минеральные вещества бактерий обнаруживают в золе после сжигания клеток. В большом количестве выявляются фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний, а также микроэлементы (цинк, медь, кобальт, барий, марганец и др.). Они участвуют в регуляции осмотического давления, pH среды, окис- лительно-восстановительного потенциала, активируют ферменты, входят в состав ферментов, витаминов и структурных компонентов микробной клетки. Например, железо входит в состав ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях; магний — в состав рибосом.
Питание бактерий
Питательные субстраты поступают внутрь бактериальной клетки через всю ее поверхность, обеспечивая высокую скорость процессов метаболизма и адаптацию к меняющимся условиям окружающей среды.
Типы питания. Широкому распространению бактерий способствует разнообразие типов их питания. Микроорганизмы нуждаются в углероде, азоте, сере, фосфоре, калии и других элементах. По источникам углерода для питания бактерии делят на аутотрофы (от греч. autos — сам, trophe — пища), использующие для построения своих клеток диоксид углерода С02 и другие неорганические соединения, и гетеротрофы (от греч. heteros — другой, trophe — пища), питающиеся за счет готовых органических соединений. Аутотрофными бактериями являются нитрифицирующие бактерии, находящиеся в почве, серобактерии, обитающие в воде с сероводородом, железобактерии, живущие в воде с закисным железом и др. Гетеротрофы, утилизирующие органические остатки отмерших организмов в окружающей среде, называются сапрофитами. Гетеротрофы, вызывающие заболевания у человека или животных, относят к патогенным и условно-патогенным. Среди патогенных микробов встречаются облигатные и факультативные паразиты (от греч. parasitos — нахлебник). Облигатные внутриклеточные паразиты способны существовать только внутри клетки (например, риккетсии, вирусы и некоторые простейшие).
В зависимости от окисляемого субстрата, называемого донором электронов или водорода, микробы делят на две группы. Микробы, использующие в качестве доноров водорода неорганические соединения, называют литотрофными (от греч. lithos — камень), а микроорганизмы, использующие в качестве доноров водорода органические соединения, — органотрофами. По источнику энергии бактерии делятся на фототрофы, т.е. фотосинтезирующие (например, сине-зеленые водоросли, использующие энергию света), и хемотрофы, нуждающиеся в химических источниках энергии.
Факторы роста. Для роста микробов на питательных средах необходимы определенные дополнительные компоненты, соединения, которые сами микробы синтезировать не могут, поэтому эти вещества надо добавлять в питательные среды. Такие соединения называются факторами роста. К факторам роста относят: аминокислоты, необходимые для построения молекул белков, пурины и пиримидины — для образования нуклеиновых кислот, витамины, входящие в состав некоторых ферментов. По отношению к факторам роста различают ауксотрофы и прото- трофы. Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста, прототрофы могут сами синтезировать нужные для роста соединения из глюкозы и солей аммония.
Механизмы питания. Проникновение различных веществ в бактериальную клетку зависит от величины и растворимости их молекул в липидах или воде, pH среды, их концентрации, проницаемости мембран и др. Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы и ионы, задерживая макромолекулы с относительной молекулярной массой более 600. Основным регулятором поступления веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана. Условно можно выделить 4 механизма проникновения питательных веществ в бактериальную клетку: простая диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, транслокация групп.
Простая диффузия — наиболее простой механизм поступления веществ в клетку: перемещение веществ происходит вследствие разницы их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Вещества проходят в основном через липидную часть цитоплазматической мембраны (органические молекулы, лекарственные препараты) и реже по заполненным водой каналам и цитоплазматической мембране. Пассивная диффузия осуществляется без затраты энергии.
Облегченная диффузия происходит также в результате разницы концентрации веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны. Однако этот процесс осуществляется с помощью мо- лекул-переносчиков, локализующихся в цитоплазматической мембране и обладающих определенной специфичностью. Каждый переносчик транспортирует через мембрану соответствующее вещество или передает его другому компоненту цитоплазматической мембраны — собственно переносчику. Белками-переносчи- ками могут быть пермеазы, место синтеза которых — цитоплазматическая мембрана. Облегченная диффузия протекает без затраты энергии, вещества перемещаются в направлении от более высокой концентрации к более низкой.
Активный транспорт происходит с помощью пермеаз и направлен на перенос веществ в направлении от меньшей концентрации в сторону большей, т.е. как бы против «течения», поэтому этот процесс сопровождается затратой метаболической энергии — АТФ, образующегося в результате окислительно-восстановительных реакций в клетке.
Перенос (транслокация) групп сходен с активным транспортом, отличаясь тем, что переносимая молекула видоизменяется в процессе переноса, например фосфорилируется.
Выход веществ из клетки осуществляется за счет диффузии и при участии транспортных систем.
Ферменты бактерий
Ферменты — белки, участвующие в процессах анаболизма (синтеза) и катаболизма (распада), т.е. в метаболизме. Ферменты распознают соответствующие им метаболиты (субстраты), вступают с ними во взаимодействие и ускоряют химические реакции.
Известно более 2000 ферментов. Они объединены в 6 классов: 1) оксидоредуктазы — окислительно-восстановительные ферменты (к ним относят дегидрогеназы, оксидазы и др.); 2) транс- феразы, переносящие отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим; 3) гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза, т.е. расщепление веществ на более простые с присоединением молекулы воды (эстеразы, фосфат азы, глюкозида- зы и др.); 4) лиазы, отщепляющие от субстратов химические группы негидролитическим путем (карбоксилазы и др.); 5) изо- меразы, превращающие органические соединения в их изомеры (фосфогексоизомераза и др.); 6) лигазы, или синтетазы, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых (аспара- гинсинтетаза, глутаминсинтетаза и др.).
Многие ферменты взаимосвязаны со стр 'ктурами микробной клетки. Например, в цитоплазматической мембране имеются окислительно восстановительные ферменты, участвующие в дыхании и делении клетки, ферменты, обеспечивающие питание клетки, и др. Окислительно-восстановительные ферменты цитоплазматической мембраны и ее производных обеспечивают энергией интенсивные процессы биосинтеза различных структур, в том числе клеточной стенки. Ферменты, связанные с делением и аутолизом клетки, обнаруживаются в клеточной стенке. Так называемые эндоферменты катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки. Экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду, расщепляя макромолекулы питательных субстратов до простых соединений, которые усваиваются клеткой в качестве источников энергии, углерода и др. Некоторые экзоферменты инактивируют антибиотики (пенициллиназа и др.), выполняя защитную функцию.
Различают конститутивные и индуцибельные ферменты. К конститутивным ферментам относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно, независимо от наличия в питательной среде соответствующего субстрата. Индуцибельные (адаптивные) ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента. Например, р-галактозидаза кишечной палочкой на среде с глюкозой практически не образуется, но ее синтез резко увеличивается при выращивании палочек на среде с лактозой или другим галак- тозидом.
Некоторые ферменты (так называемые ферменты агрессии) разрушают ткань и клетки, обусловливая широкое распространение в инфицированной ткани микробов и их токсинов. К таким ферментам относят гиалуронидазу, коллагеназу, ДНКазу, нейраминидазу, лецитовителлазу и др. Так, гиалуронидаза стрептококков, расщепляя гиалуроновую кислоту соединительной ткани, способствует распространению стрептококков и их токсинов
Ферменты микроорганизмов используют в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы и др.) для получения различных биологически активных веществ, а также важных продуктов в легкой, пищевой и других отраслях промышленности, медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве. Ферменты применяют в качестве биодобавок в стиральные порошки для уничтожения органических загрязнений.
Различия в ферментном составе используют для идентификации бактерий, поскольку они обусловливают различные биохимические свойства бактерий: сахаролитические (расщепление сахаров), протеолитические (разложение белков) и другие, выявляемые по конечным продуктам расщепления (образование щелочей, кислот, сероводорода, аммиака и др.). Сахаролитические свойства определяют на дифференциально-диагностических питательных средах Гисса, Эндо, Левина, Плоскирева и др. Среды Гисса (пестрый ряд) состоят из мясопептонного бульона или полужидкого мясопептонного агара с добавлением какого-либо углевода (лактозы, маннита и др.) и индикатора, меняющего цвет при расщеплении углевода с кислотообразованием. Если бактерии расщепляют углевод с образованием кислоты и газа, цвет среды изменяется, появляются пузырьки газа. Набор сред Гисса применяют для идентификации возбудителей.
Среды Эндо и Левина представляют собой мясопептонный агар с лактозой и индикатором pH. Среду разливают в чашки Петри.
Бактерии, расщепляющие лактозу с кислотообразованием (лактозоположительные), образуют колонии, окрашенные в красный цвет с металлическим блеском на среде Эндо или в темно-синий на среде Левина в зависимости от характера индикатора. Бактерии, не расщепляющие лактозу (сальмонеллы, дизентерийные палочки), на этих средах образуют неокрашенные (лактозонегативные) колонки.
Протеолитические свойства бактерий определяют по разжижению желатина и продуктам разложения белка (в мясопептонном бульоне и др.) — индола, сероводорода, аммиака. С этой целью делают посев «уколом» в столбик желатина и в мясопептонный бульон с индикаторами продуктов расщепления белка.
Дыхание бактерий
Дыхание, или биологическое окисление, основано на окислительно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ — универсального аккумулятора химической энергии. Энергия необходима микробной клетке для ее жизнедеятельности. При дыхании происходят процессы окисления и восстановления: окисление — отдача донорами (молекулами или атомами) водорода или электронов; восстановление — присоединение водорода или электронов к акцептору. Акцептором водорода или электронов может быть молекулярный кислород — такое дыхание называется аэробным, а если акцептором служат нитрат, сульфат, фумарат, то такое дыхание называется анаэробным (нитратным, сульфатным, фумаратным). Анаэробиоз (от греч.
отрицательная приставка — an + aeros — воздух + bios — жизнь) — жизнедеятельность, протекающая при отсутствии свободного кислорода.
Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление органических соединений (преимущественно углеводов) в анаэробных условиях. По конечному продукту расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и другие виды брожения.
По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на 3 основные группы: облигатные, т.е. обязательные аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы. Облигатные аэробы могут расти только при наличии кислорода. Облигатные анаэробы (клостридии ботулизма, газовой гангрены, столбняка, бактероиды и др.) растут на среде без кислорода, который для них токсичен. При наличии кислорода бактерии образуют перекисные радикалы кислорода, в том числе перекись водорода и супероксид-анион кислорода, токсичные для анаэробных бактерий, поскольку они не образуют соответствующие инактивирующие ферменты или эти ферменты не активны. Аэробные бактерии инактивируют перекись водорода и супероксид-анион соответствующими ферментами (каталазои, пероксидазой и супероксиддисмутазой). Факультативные анаэробы могут расти как при наличии, так и отсутствии кислорода, поскольку они способны переключаться с дыхания в присутствии молекулярного кислорода на брожение в отсутствие молекулярного кислорода. Факультативные анаэробы способны к анаэробному дыханию, называемому нитратным: нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака.
Среди облигатных анаэробов выделяют аэротолерантные бактерии, которые растут при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.
Для выращивания анаэробов используют анаэростаты — специальные емкости, в которых воздух заменяется смесью газов, не содержащих кислорода. Воздух можно удалять из питательных сред путем кипячения, с помощью химических адсорбентов кислорода, помещаемых в анаэростаты или другие емкости с посевами.