Микробиология теория

1. Предмет и задачи микробиологии: ее место в современной биологии, роль для народного хозяйства и охраны здоровья.

Ответ. Микробиология является одной из важнейших фундаментальных дисциплин в системе биологического образования. Изучение микробиологии необходимо для правильного понимания биологического значения микроорганизмов, их огромной роли в природе и жизни человека. Современная микробиология крайне важна не только для расширения и углубления знаний живой материи, но и решения важнейших проблем в области биологии, медицины, экологии и других научных дисциплин и областях человеческой жизни. В связи с разнообразием объектов микробиологии и их роли в природе и жизни человека современная микробиология распадается на ряд самостоятельных дисциплин. Медицинская и санитарная микробиология изучает патогенные микроорганизмы, их экологию, распространенность, методы их выделения и идентификации. С бурным развитием медицинской микробиологии сформировалась дисциплина ”Иммунология“. Общая микробиология исследует основные закономерности жизни микроорганизмов, их биологическое значение. Промышленная микробиология разрабатывает способы культивации полезных микроорганизмов в промышленных масштабах. На использовании микроорганизмов возникла и развивается биотехнология. Высокопродуктивные штаммы микроорганизмов с заданными свойствами способны сегодня синтезировать антибиотики, ферменты, витамины, гормоны и другие вещества, используемые человеком в медицине, различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Микроорганизмы используют для биодеградации токсических веществ, попавших в окружающую среду и утилизации побочных продуктов промышленности. Изучение микробиологии позволит расширить научный кругозор студентов, получить знания, необходимые для последующей практической деятельности.

2. Клеточная стенка: структура, химический состав и функции, окраска по Грамму.

Ответ. Клетка прокариот, несмотря на относительно малые размеры, имеет все основные структурные компоненты, необходимые для осуществления обмена веществ. Как и любая другая, прокариотическая клетка имеет цитоплазму, которая окружена цитоплазматической мембраной. Цитоплазма и цитоплазматическая мембрана составляют протопласт, снаружи от него расположены поверхностные структуры. К их числу относятся клеточная стенка, капсулы, чехлы, слизистые слои, жгутики, ворсинки и т. д. Клеточная стенка является обязательным структурным элементом бактериальной клетки, исключение составляют микоплазмы и L-формы. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50 % сухих веществ клетки. По строению и химическому составу клеточная стенка прокариот отличается от таковой эукариотических организмов. Основным компонентом клеточной стенки большинства бактерий является муреин, относящийся к классу пептидогликанов. Муреин - гетерополимер, построенный из цепочек, в которых чередуются остатки N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенные между собой в-1,4-гликозид-ными связями. Такие неразветвленные гетерополимерные цепи образуют основу муреина. Остатки N-ацетилмурамовой кислоты через лактильные группы соединены пептидной связью с аминокислотами. К типичным аминокислотам, обнаруженным в составе муреина, относятся L-аланин, D-глутаминовая кислота, мезо-диаминопимелиновая кислота и D-аланин. У некоторых бактерий вместо мезо-диаминопимелиновой кислоты встречаются L-лизин, либо L- или D-орнитин, либо 2,4-диаминомасляная кислота, либо гомосерин, либо гидроксилизин. Мезо-диаминопимелиновая кислота, L-лизин или другие диаминокислоты играют большую роль в формировании межмолекулярных сшивок, так как в образовании пептидных связей могут принимать участие обе аминогруппы, и таким образом между собой связываются две гетерополимерные цепи муреина. Благодаря пептидным связям гетерополимерные цепи связаны между собой и образуют мешкообразную гигантскую молекулу - муреиновый мешок, который выполняет функцию опорного каркаса клеточной стенки. Следует отметить, что особенностью клеточных стенок бактерий по сравнению с клетками эукариот является наличие в них особых структурных элементов: чередующихся последовательностей N-ацетилглюказамина и Nацетилмурамовой кислоты; наличие мезодиаминопимелиновой кислоты, D-форм аланина и глутаминовой кислоты. Эти структурные элементы составляют ахиллесову пяту бактерий, используемую врачами в борьбе с инфекцией. Для борьбы с инфекцией бактериальной этиологии применяют лекарственные препараты, специфически воздействующие только на клеточные стенки бактерий или на процесс их синтеза, но не на клетки растений, животных и человека. Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида бактерий и являются важным диагностическим признаком, который используется для идентификации бактерий. В зависимости от строения клеточной стенки бактерии делятся на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные. Существует метод окраски, позволяющий разделить бактерии на эти две группы. Он был предложен в 1884 г. датским ученым Х. Грамом. Этот метод основан на различной способности микроорганизмов удерживать в клетке красители трифенилметанового ряда - кристаллический фиолетовый или ген- циановый фиолетовый, что в свою очередь зависит от химического состава и ультраструктуры клеточной стенки бактерий. Клеточная стенка грамположительных бактерий под электронным микроскопом выглядит как гомогенный плотный слой, толщина которого колеблется для разных видов от 20 до 80 нм. Муреин в клеточной стенке грамположительных бактерий составляет 50-90 % ее сухой массы. С муреином связаны тейхоевые кислоты - полимеры, образованные остатками спирта рибита или глицерина, связанными фосфодиэфирными мостиками. Тейхоевые кислоты влияют на катионный обмен клетки. Считается, что они осуществляют захват из окружающей среды и связывание ионов Mg2+. У некоторых бактерий они принимают участие в регуляции активности автолитических ферментов - гидролаз, способных разрушать собственную клеточную стенку в процессе роста. Помимо муреина и тейховых кислот, в составе клеточной стенки грамположительных бактерий в небольшом количестве обнаружены полисахариды, белки и липиды. К грамположительным бактериям относятся следующие: Bacillus subtilis, Sarcina ventriculi, Streptococcus lactis, Staphylococcus aureus, Clostridium perfringens, Micrococcus luteus и др. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий многослойна, толщина ее составляет 14-17 нм. Внутренний слой клеточной стенки представлен муреином, на долю которого приходится 1-10 % ее сухой массы. Структурные микрофибриллы пептидогликана грамотрицательных бактерий сшиты менее компактно, поэтому поры в их пептидогликановом слое значительно шире, чем в молекулярном каркасе грамположительных бактерий. Внешний слой клеточной стенки (наружная или внешняя мембрана) образован фосфолипидами, липопротеинами и белками. По строению наружная мембрана имеет типичную организацию, характерную для элементарных мембран. Основной фракцией наружной мембраны являются липиды, составляющие в среднем 22% сухой массы клеточной стенки. Наружная мембрана выполняет не только механические, но и физиологические функции. В ней находятся трансмембранные белки, которые насквозь пронизывают мембрану. Они представляют собой заполненные водой каналы или гидрофильные поры в липофильной мембране, их называют поринами. Существует несколько различных типов пори нов, которые осуществляют транспорт через мембрану гидрофильных низкомолекулярных веществ. Одной из отличительных особенностей грамотрицательных бактерий является отсутствие в их клеточной стенке тейхоевых кислот. Компоненты клеточной стенки у грамотрицательных бактерий разделены электронно-прозрачным слоем, а также четко отделены от цитоплазматической мембраны. Пространство между цитоплазматической и наружной мембраной получило название периплазматического. В периплазматическом пространстве находятся белки, такие как протеиназы, нуклеазы, периферические белки цитоплазматической мембраны, рест- риктазы и, так называемые, связующие белки, которые участвуют в переносе некоторых субстратов в цитоплазму - пермеазы. К грамотрицательным бактериям относятся Escherichia coli, Erwinia carotovora, Proteus vulgaris, Yersinia pestis, Pseudomonas aeruginosa и др. Клеточная стенка бактерий выполняет следующие функции: механическую защиту клетки от воздействий факторов окружающей среды; обеспечивает поддержание формы бактериальной клетки; дает возможность клетке существовать в гипотонических растворах; осуществляет транспорт веществ и ионов (характерно для грамотрицательных бактерий, имеющих наружную мембрану, которая является дополнительным барьером для их поступления; основным барьером служит цитоплазматическая мембрана); препятствует проникновению в клетку токсических веществ (также более характерно для грамотрицательных бактерий, имеющих наружную мембрану); на клеточной стенке находятся рецепторы, на которых адсорбируются бактериофаги и бактериоцины; в клеточной стенке находятся антигены (липополисахариды у грамотрицательных бактерий и тейховые кислоты у грамположительных бактерий); на клеточной стенке находятся рецепторы, ответственные за взаимодействие клеток донора и реципиента при конъюгации бактерий. Вместе с тем следует отметить, что клеточная стенка не является жизненно важной структурой, так как в определенных условиях она может быть удалена и бактериальные клетки при этом существуют в виде протопластов или сферопластов. Протопластами называют клетки округлой формы, полностью лишенные остатков клеточной стенки и окруженные только цитоплазматической мембраной. Их образование характерно чаще для грамположительных бактерий. Сферопласты отличаются от протопластов тем, что у них сохраняются остатки клеточной стенки, а образуются они преимущественно из клеток грамотрицательных бактерий.