Основи мікробіолог

Основи мікробіолог

Предмет, історія розвитку і завдання мікробіології

Мікробіологія - наука про мікроорганізми, про найдрібніші істоти біосфери, про форми живої матерії, що вони невидимі неозброєним оком.

Загальними ознаками мікроорганізмів є їх малий розмір, висока інтенсивність і пластичність метаболізму. Мікроорганізми перебувають скрізь, їх загальна біомаса перевершує масу рослин і тварин і складає 740 млрд. тонн.

Мікроорганізми вивчають за допомогою оптичного або електронного мікроскопу. Розмір вірусів коливається в діапазоні 16-200 нм, а розмір інших досягає 0,01- 50.

Наприкінці 20-го століття була розроблена класифікація, згідно якій, всі живі істоти біосфери поділяються на три надцарства:

- акаріоти (без'ядерні) - царство вірусів;

- прокаріоти (доядерні) - царства архебактерій, ціанобактерій та еубактерій;

- еукаріоти (ядерні) - царства рослин, тварин і грибів.

В історії розвитку розділяють 4 періоди:

Морфологічний. Історія мікробіології починається з кінця 17-го століття, коли голландський натураліст Антоній Ван Левенгук (1632-1723) відкрив світ мікроорганізмів. А.Левенгук створив перші мікроскопи, які збільшували предмети в 160-300 разів. Він з великою точність описав і зарисував зовнішній вигляд (морфологію) «живих звіряток». Цей період був періодом накопичення фактичного матеріалу.

Еколого-фізіологічний. З другої половини 19-го століття завдяки роботам великого французького мікробіолога Луї Пастера (1822-1895) було пов'язане створення мікробіології як науки.

Основні відкриття Л.Пастера та його внесок такі:

- встановив, що мікроорганізми є причинами інфекційних хвороб;

- аеробне і анаеробне бродіння це функції діяльності мікроорганізмів;

- запропонував метод пастеризації для лікування “хвороб” вин;

- розробив методи виготовлення живих вакцин проти сибірки і сказу;

- заклав основи науки імунології;

- встановив здатність мікроорганізмів засвоювати і перетворювати різноманітні хімічні сполуки.

Роберт Кох (1843-1910 розробив основи дезинфекції, метод виділення чистої культури мікроорганізмів на твердому поживному середовищі, способи забарвлення мікробів аніліновими барвниками, застосував імерсійну систему у мікроскопуванні та ін. Р.Кох відкрив збудників туберкульозу (паличка Коха) та холери.

Імунологічний. Видатний російський вчений І.І.Мечников (1845-1916) розробив теорію фагоцитарного імунітету, відкрив і теоретично обґрунтував антагонізм мікробів. І.І.Мечников є автором відомої теорії боротьби з передчасним старінням людського організму, для боротьби з яким він рекомендував вживати молочнокислі бактерії як антагоністи гнильних мікробів. М.Ф. Гамалія (1859-1949) відкрив станцію щеплення проти сказу. Д.Й. Івановський (1864-1920) став засновником вірусології. С.Н. Виноградський (1856-1953) відкрив хемосинтез. Видатний український мікробіолог Д.К.Заболотний (1866-1929)організував першу в світі кафедру епідеміології при Одеському медичному інституті. Багато зусиль віддав він вивченню чуми, холери, сифілісу, дифтерії, тифу тощо.

Молекулярно-генетичний. У цей період був вивчений механізм взаємодії облігатного паразиту і людини, рослини. Встановлено, що ДНК є носієм спадкової інформації. Відбулося створення біотехнології.

Основні напрямки сучасної мікробіології

Мікробіологія як наука поділяється на низку самостійних дисциплін - загальну, сільськогосподарську, медичну, ветеринарну, технічну, геологічну та космічну мікробіологію.

Загальна мікробіологія досліджує загальні закономірності життєдіяльності мікроорганізмів (анатомію, фізіологію, біохімію, генетику, екологію, систематику і еволюцію мікробів).

Сільськогосподарська мікробіологія розробляє методи та препарати для підвищення родючості грунту; фітопатогенів та розробляє методи боротьби з ними.

Медична мікробіологія вивчає мікроорганізми, що викликають захворювання у людей, та способи боротьби з цими захворюваннями.

Ветеринарна мікробіологія досліджує збудників захворювань у тварин та птахів і розробляє методи боротьби з ними.

Геологічна мікробіологія вивчає роль і значення мікробів у геологічних процесах.

Морська мікробіологія вивчає мікробів, які живуть в водних басейнах та їх вплив на водні екологічні системи.

Космічна мікробіологія досліджує вплив на мікроорганізми невагомості та інших чинників.

Технічна мікробіологія розробляє наукові основи використання мікроорганізмів у різних виробничих процесах. Винятково важливе значення мають мікробіологічні процеси в виробництві харчових продуктів.

Біотехнологія базується на інтегрованому використанні досягнень біохімії, мікробіології та інженерних наук. Завдяки застосуванню методів генної інженерії створюють трансгенні мікроорганізми, які є високопродуктивними продуцентами різноманітних біологічно активних речовин.

Систематика вивчає відношення між групами мікроорганізмів. За період становлення мікробіології в основу класифікації різноманітних організмів були закладені морфологічні, фізіологічні, біохімічні та інші ознаки.

Один з перших відомих поділів мікроорганізмів на групи базується на відношенні їх до субстрату життєдіяльності. За цим критерієм всі мікроорганізми поділяють на сапрофіти і патогенні.Сапрофіти - розвиваються на мертвих субстратах. Серед них розрізняють корисні - мікрофлора заквасок, молочнокислих продуктів, копчених ковбас, хліба, вина, пива. Але серед сапрофітів є велика кількість збудників псування продуктів, наприклад, гнильні бактерії.

Патогенні - паразити, які живуть на живих субстратах, використовують їх білки, жири, вуглеводи та інші складові частини. Їх поділяють на: зоопатогенні - паразити тварин ; фітопатогенні - паразити рослин. Таксон є основною категорією у ситематиці мікроорганізмів. У сучасній систематиці основною структурною одиницею є вид.

Порядок розташування таксонів: клон > вид > род > родина > порядок > клас > відділ > царство > надцарство.

Клон - мікроорганізм, який походить від клітини. Штам - чиста культура одного виду . Штами відрізняються другорядними властивостями. Наприклад відомі штами Clostridium botulinum A, B, C, D, E, F, I.

Групою вчених під керівництвом Бергі було видано визначник бактерій, який у 1997р. було перекладено російською мовою «Визначник бактерій Бергі».

Розподіл мікроорганізмів за таксонами здійснюється шляхом формування сукупностей споріднених організмів за категоріями:

- морфологічні ознаки. Форма клітин і характер їх розташування, розмір, забарвлення за Грамом, спороутворення, рухомість.

- культуральні ознаки. Вирощування мікроорганізмів на поживних середовищах зветься культивування, а їх нащадки - культурою. Змішані культури - це сукупність мікроорганізмів різних видів, які були виділені з біоценозу в природі (грунту, води, повітря). Чисті культури - нащадки одного виду, які виділені ізольовано на стерильному поживному середовищі. Культуральні ознаки - характеристика росту мікроорганізмів на середовищах.

- фізіологічні ознаки. Тип дихання, живлення, метаболізм, розмноження та ін.

- біохімічні властивості. Здатність мікроорганізмів продукувати визначені ферменти.

- резистентність до факторів середовища.

- токсиноутворення.

- антигенний склад. Антиген - речовина, яку виробляють патогенні мікроорганізми, коли потрапляють в організм хазяїна. При цьому відбуваються реакції імунітету, хазяїн продукує антитіла. Наприклад реакція аглютинації, яку записують:

RA = Ag+An

Досліджування всіх ознак у невідомих мікроорганізмів дозволяє за допомогою визначника Бергі ідентифікувати їх вид. Номенклатура - збірник правил найменування таксонів, список цих найменувань. В мікробіології застосовується бінарна термінологія - назва виду складається з двох : родова ( пишеться з великої літери) і видова ( пишеться з маленької літери). Родова - може носити прізвище вченого, показувати морфологію, наявність спор. Видова - може означати фізіологію, місце існування. Наприклад : Clostridium botulinum, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus.

Морфологічні типи бактеріальних клітин

Розміри бактерій коливаються від 0,2 до 10 мкм (мікрометрів). За формою клітини бактерії можна розділити на головні групи: сферичні або кулясті (коки), паличкоподібні (циліндричні) та спіралеподібні (звивисті), але відомі бактерії, які мають ниткоподібну, трикутну, зірчасту форми (див.рис.). Розміри та форма тіла бактерій можуть змінюватися під впливом різноманітних факторів зовнішнього середовища - під дією антибіотиків, дезинфікуючих засобів, при зміні умов культивування та ін.

Сферичні бактерії або коки (від грецького coccus - ягода, зерно) звичайно мають форму кулі, але бувають у формі боба чи ланцеподібні. Клітини можуть розташовуватися хаотично або утворювати скупчення, форма яких залежить від характеру їх поділу. За характером взаємо розташування коки поділяють на:

Мікрококи (від грецького micros - малий) діляться в одній площині, розташовуються хаотично, поодиноко. Є переважно сапрофітами. Проте у людей з імунодефіцит ним станом можуть викликати гнійно-септичні захворювання.

Диплококи (від грец. diplos - подвійний) також діляться в одній площині, але утворені пари клітин не розходяться. Типовими представниками є збудники епідемічного менінгіту, гонореї, та крупозної пневмонії.

Стрептококи (від грец. streptos - намисто, ланцюжок) діляться в одній площині, але зв'язок між клітинами зберігається, і утворюються ланцюжки різної довжини, які нагадують намисто. Серед стрептококів багато патогенних для людини, також є представники збудників молочно - кислого бродіння - Streptococcus lactis, Streptococcus cremosis.

Тетракоки (від грец. tetra - чотири) діляться в двох взаємо перпендикулярних площинах з утворенням тетрад. Вони переважно складають мікрофлору повітря, патогенні для людини види зустрічаються дуже рідко.

Сарцини (від лат. sarcina - поєдную, тюк) діляться в двох взаємно перпендикулярних площинах з утворенням “пакунків” з 8, 16, 32, 64 клітин, які розміщуються кількома ярусами. Особливо часто сарцини зустрічаються у повітрі і є пігментоутворюючими. Патогенних форм серед них немає.

Стафілококи (від грец. stafile - гроно) діляться в декількох площинах, клітини розташовуються у вигляді виноградного грона. Зустрічаються у повітрі, грунті, в організмі людини і тварини.

Паличкоподібні бактерії. Паличкова форма є самою численною і різноманітною групою бактерій. Клітинна стінка паличкоподібних бактерій являє собою тверду, нееластичну трубку. Тому вони ростуть переважно в довжину, а коливання товщини відносно невеликі (переважно в межах 0,5-1 мкм). По довжині паличкові поділяють на дрібні (до 1 мкм), середні (2-4 мкм), великі (більш ніж 4 мкм). По товщині паличкові бактерії поділяють на тонкі () до 1 мкм і товсті (>1 мкм). Форма кінців у паличкових буває закруглена, загострена, обрубана.

По здатності до спороутворення паличкоподібні форми бактерій підрозділяються на три роди: р.Bacterium (бактерії), р.Bacillus (бацили), p.Clostridium (клостридії).

p.Bacterium - це паличкоподібні бактерії, що, як правило, не утворюють спор. Типовим представником є кишкова паличка (Escherichia coli), яка завжди міститься в кишечнику людини та тварин.

p.Bacillus - це споротворні паличкоподібні бактерії. Діаметр спор не перевищує у них поперечного розтину палички тому спороутворення у бацил не призводить до зміни форми клітини. За типом дихання бацили, як правило, відносяться до аеробів (потребують кисень для свого розвитку). Прикладом сапрофітних форм бацил є Bacillus subtilis (“сінна” паличка), Bacillus licheniformis (“картопляна” паличка).

p.Clostridium - це споротворні паличкоподібні бактерії, у яких спора за своїм розміром перевищує поперечний розтин палички. При цьому змінюється зовнішня форма палички і вона може нагадувати веретено або ракетку. За типом дихання відносяться. Як правило, до облігатних анаеробів.

За взаємним розташуванням паличкові розподіляються на три підгрупи:

а) поодинокі палички - розміщуються хаотично. Така форма взаємного розташування клітин характерна для переважної більшості паличкових.

б) диплобактерії та диплобацили - клітини бактерій або бацил розташовані попарно.

в) стрептобактерії та стрептобацили - клітини бактерій або бацил утворюють ланцюжки різної довжини.

Звивисті бактерії. Вони як правило грамнегативні, рухомі, більшість належить до сапрофітів. Але зустрічаються і патогенні форми - збудники інфекційних хвороб. Звивисті бактерії відрізняються між собою кількістю завитків та товщиною тільця.

В залежності від цього відрізняють:

- вібріони. Клітини мають один завиток і товсте тільце. Представником є холерний вібріон - збудник холери, водні вібріони.

- спірили. Клітини мають від 4 до 6 завитків спіралі і товсте тільце.

- спірохети. Клітини мають від 6 до 15 і більше завитків спіралі та тонке тільце. Довжина їх може бути великою (300-500 мкм). Представником є збудник венеричного захворювання - сифілісу (Treponema pallidum).

Ультраструктура бактеріальної клітини

В 1937 р. Е.Шаттоном було запропоновано поділяти всі живі істоти за будовою клітин на прокаріоти та еукаріоти.

Згідно з цією класифікацією до прокаріотів (грец. procaryotae- доядерні) відносяться бактерії, до еукаріотів ( грец. eucaryotae- ядерні) - найпростіші, гриби, водорості, рослини та тварини.

Основні відмінності прокаріотів та еукаріотів полягають в тому, що прокаріоти мають тільки одну внутрішню порожнину, яка утворена цитоплазматичною мембраною (ЦПМ), що розміщена під клітинною стінкою. Їхній ядерний апарат (нуклеоїд) не відособлений від цитоплазми. Він складається з однієї хромосоми, яка має вигляд замкненої в кільце молекули ДНК, та розміщена безпосередньо в цитоплазмі. Рибосоми прокаріотів мають незначні розміри та розсіяні в цитоплазмі.

В клітинах еукаріотів є вторинні порожнини, утворені ЦПМ - ядро та органели. Ядро містить ДНК у вигляді однієї або більше хромосом та ядерце. Органели представлені мітохондріями, хлоропластами, лізосомами, ендоплазматичною сіткою, апаратом Гольджи та інш. структурами. Рибосоми еукаріотів більші за рибосоми прокаріотів та розміщені переважно на поверхні ендоплазматичної сітки.

Анатомія бактерій вивчає за допомогою електронного мікроскопу внутрішню будову клітин. Клітина - біологічна система, у якій кожній структурі належить певна функція. Всі структури взаємопов'язані та взаємообумовлені.

Основні структури клітин бактерій:

- ядерний матеріал - нуклеоїд

- клітинна стінка

- цитоплазматична мембрана (ЦПМ)

- цитоплазма з органоїдами і включеннями

- структурні елементи клітини (рибосоми, мезосоми, плазміди,

внутрішньоклітинні мембранні утворення, включення )

Додаткові структури:

- капсула

- слиз

- пілі

- джгутики

- фімбрії

Ядерний матеріал клітин бактерій

У прокаріотів ядерний матеріал розміщений у центральній частині цитоплазми. Нуклеоїд бактерій на відміну від еукаріотів не має мембрани і складається з ДНК, яка замкнута у кільце. Приймає участь в передачі спадкової інформації. Без нього клітина нежиттєздатна.

Багато бактерій разом з нуклеоїдом мають позахромосомні передавачі спадкової інформації. Їх називають плазміди або епісоми . За будовою це нуклеїнова кислота.

Клітинна стінка

Клітинна стінка - обов'язковий структурний елемент бактеріальної клітини. Клітинна стінка надає бактеріям певну форму. Вона є пружною, але разом з цим еластичною і може вигинатися. Клітинна стінка виконує роль механічного бар'єру між зовнішнім середовищем та протопластом.

Вона захищає вміст клітини від впливу довкілля. В нормальних умовах концентрація солей в клітині вища, ніж у навколишньому середовищі, тому між ними існує велика різниця в осмотичному тиску. Клітинна стінка захищає клітину від проникнення до неї надлишку води.

Таким чином функції клітинної стінки слідуючі:

- захист від шкідливих факторів

- транспорт речовин в процесі живлення

- участь у формуванні капсул і антигенів

Товщина клітинної стінки знаходиться в межах від 10 до 80 нм, на її долю припадає від 5% до 50% сухої речовини клітини. Хімічний склад і будова клітинної стінки є постійними для певного виду бактерій. Клітинна стінка відповідальна за сприйняття забарвлення за Грамом.

До складу клітинної стінки бактерій входить мурен, він є гетерополімером, який побудований з N-ацетилглюкозамін, N-ацетилмурамової кислоти. Вони утворюють ланцюги, які пов'язані пептидними зв'язками і утворюють муреїнову сітку. У грампозитивних бактерій клітинна стінка складається з багатошарового мурену (до 9% її маси), тейхоєвих кислот, лізіну і невеликої кількості ліпідів, полісахаридів, білків. У грамнегативних бактерій клітинна стінка значно тонша, вона містить одношаровий мурен (до 10%), ліпополісахариди, ліпопротеїди, фосфоліпіди, діамінопімелінову кислоту.

Деякі мікроорганізми на поверхні клітин утворюють слизовий шар або капсулу. Хімічний склад шару полісахариди, поліпептиди. Слиз можуть утворювати бактерії Leuconostoc, викликає псування фруктових сиропів.

Функції слизу і капсул - захисна. У патогенів капсула надає стійкість і підвищує вірулентність - ступінь патогенності.

Рухомість бактерій

Рухомість бактерій пов'язана з наявністю джгутиків. Тип джгути кування є систематико - діагностичною ознакою і генетично запрограмований. Кількість і локалізація джгутиків, їх розміри - характерні визначеному виду.

В залежності від розташування джгутиків рухливі бактерії поділяють на наступні групи: а) монотрихи - мають один джгутик на кінці

б) амфітрити - мають два полярно розташований джгутики

в) лофотрихи - мають пучок джгутиків на одному кінці

г) амфілофотрихи - мають два пучки полярно розташованих джгутиків

д) перитрихи - мають хаотично розташовані джгутики по всій поверхні клітини

Швидкість руху бактерії залежить від кількості та характеру розташування джгутиків, від віку і факторів зовнішнього середовища.

Джгутик має вигляд спіральної нитки товщиною 10-20 нм і довжиною до 10 мкм, їх хімічна природа - білок флагелін. Рухомість бактерій визначають методами «висячої» і «роздавленої» краплин. Бактерії рухаються хаотично зі швидкістю до 100 мкм/сек , але здатні до таксисів - спрямованих рухів. Відомі хемо- , аеро- , фототаксис, вони залежать від концентрації хімічних речовин, кисню, ступені освітлення відповідно.

На поверхні клітинної стінки деяких мікроорганізмів без джгутиків розміщуються або фімбрії, або пілі - довгі, прямі нитки діаметром 5 нм, довжиною 12 мкм. Їх кількість коливається і може досягати декількох тисяч. Вони бувають загального типу для прикріплення і «статевого» в процесі кон'юктації. Хімічна природа цих структур - білок пілін. Фімбрії також мають вигляд довгих тонких прямих ниток, а їх хімічна природа - вуглеводозв'язувальні білки лектини.

Цитоплазматична мембрана

Під клітинною стінкою розташована цитоплазматична мембрана (ЦПМ), яка є обов'язковим структурним елементом клітини і оточує цитоплазму. Бактеріальна клітина втрачає життєздатність при порушенні її цілісності. На долю ЦПМ припадає всього 8-15 % сухої речовини клітини. Загальна товщина приблизно 5-10 нм. У більшості прокаріотів ЦПМ єдина мембрана.

ЦПМ утворена двома шарами ліпідів (ліпідний біслой), в які включені білки, а зовні розташовані периферичні білки. За хімічним складом вона містить 50-75% білків, 15-45% ліпідів та незначну кількість вуглеводів.

ЦПМ грає найважливішу роль в метаболізмі бактеріальної клітини. Вона є осмотичним бар'єром і регулює осмотичний тиск в клітині, контролює транспорт речовин в клітину та виведення метаболітів назовні. У бактерій ЦПМ виконує енергетичну функцію. ЦПМ бактерій - структура, де відбуваються окисно-відновні процеси. ЦПМ - енергетичні станції з ферментами окислювального фосфорилювання. ЦПМ приймає участь в поділі нуклеоїду, оскільки молекула ДНК при цьому процесі прикріплюється до неї. Вона бере участь у синтезі компонентів клітинної стінки та капсули.

Цитоплазма

Цитоплазма являє собою колоїдну систему, яка складається з двох фракцій: цитозоль та структурні елементи.

Цитозоль - це фракція цитоплазми, яка має гомогенну консистенцію. У молодих вегетативних клітин міститься 85% води. В воді утворюється колоїдна система з білків, нуклеотидів, БАР, вітамінів, осмотично-активних речовин, вуглеводів, мінеральних елементів, токсинів. Друга фракція включає різноманітні структурні елементи клітини: генетичний апарат, плазмідм, рибосоми, мезосоми, включення, внутрішньоклітинні структури, вакуолі.

Рибосоми - це органоїди, мають 10-20 нм в діаметрі і складаються з РНК (60%) та білка (40%).Кожна бактерія містить від 5000 до 50000 рибосом, які виконують важливу фізіологічні функцію - синтез білків. Під час активного синтезу білків рибосоми утворюють специфічні ланцюги - полісоми. Синтез білка йде в 2 етапи: за один етап нова молекула білка збільшується на одну молекулу амінокислоти.

Багато бактерій разом з хромосомною ДНК мають в цитоплазмі позахромосомні кільцеві або лінійні ДНК дуже невеликого розміру, які називають плазміди. В плазмідах закодована важлива інформація, що визначає життєдіяльність клітини в певних умовах, в тому числі хвороботворність, структуру ферментів, які дозволяють клітині знешкоджувати деякі антибіотики та інше.

Мезосоми - це тільця розміром 100 А, вони утворюються з ЦПМ. У ЦПМ існують інвагінації - складки. Вони мають форму бульбашок, можуть нагадувати сітку, можуть бути трубчасті, пластинчасті. Там локалізовані окисно-відновні ферменти, тобто енергетичний обмін. Поруч з цим мезосоми - місце прикріплення плазмід, синтезу ферментів.

Внутрішньомембранні структури виконують різноманітні функції. У прокаріот вони забезпечують дихання, захист від УФ променів, фотосинтез, окисно-відновні процеси. В них містяться бактерії, хлорофіл, каротин та інші пігменти.

Включення - гранули різної форми та розмірів або краплі. Наявність їх в клітині не можна вважати за постійну ознаку мікроорганізму, оскільки включення зв'язані з фізичними та хімічними умовами середовища існування та можуть розглядатися як запасні джерела енергії та поживних речовин.

Будова спори

екзоспоріум

зовнішня оболонка спори

внутрішня оболонка спори

корт екс (кора)

клітинна стінка зародку

цитоплазматична мембрана

цитоплазма з ядерною речовиною

Рис. Будова зрілої ендоспори

Спори бактерій - ендоспори - внутрішньоклітинні утворення круглої або овальної форми. При забарвленні бактерій за Грамом клітина - синя, а спора прозора. Продукція спор - стадія циклу розвитку паличкоподібних грам позитивних Bacillus та Clostridium (виняток Lactobacillus), яка виробилась в процесі еволюції в боротьбі за збереження виду. Функція спор бактерій - захист. Спори знаходяться в стані анабіозу - не розвиваються, не розмножуються, але зберігають життєздатність. При попаданні в благо приємні умови одна спора проростає в одну вегетативну клітину.

Страницы: 1, 2