13.09.2024 Классификация и систематика микроорганизмов.
Классификация бактерий.
Выделяют их в отдельное царство или домены.
Первые попытки классификации бактерий были предприняты только в 19-м веке.
В 1896г. К. Леман и Р. Нейман положили начало созданию научно-обоснованной классификации бактерий и подразделили их на 3 семейства — кокки, палочки и спириллы.
В 1923 г. американский микробиолог Дэвид Берджи выпустил первый международный определитель бактерий, в котором разделил бактерии не только по морфологии, но и по физиологии.
Последующие выпуски определителя бактерий Берджи готовились международным комитетом по таксономии бактерий
Последнее издание справочника состоит из 5 томов:
Том 1 (2001): <The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria>
Том 5 (2011): <The Actinobacteria>
Сейчас пятитомное издание официально заменено Руководством Берджи по систематике архей бактерий (ВМSАВ), постоянно обновляемой онлайн-книгой с 2015 года. В 2019 году Фонд решил включить в BMSАВ филогенетику, используя классификацию, предоставленную базой данных таксономии генома (GТDВ). Раньше было печатное издание, теперь это только онлайн из-за частого обновления.
Текущие тома руководства Берджи резко отличаются от предыдущих тем, что многие высшие таксоны определяются не с точки зрения фенотипа, а исключительно по филогении 16S РНК. (как пример сине-зелёные водоросли: изначально классифицировались справочником бактерий, оказалось, что это цианобактерии, доказали, что это истинные бактерии).
Систематика бактерий — раздел биологической науки о месте бактерий в природе, принципах методах и правилах классификации (объединении бактерий по степени родства в классификационные единицы)и номенклатуры.
Таксономия (от греч. taxis - расположение, nomos-закон)- раздел систематики, разрабатывающий принципы классификации
Таксон — классификационная единица, обладающая совокупностью характеристик общих для каждой группы (семейства, рода, вида, подвида). Базовой таксономической единицей у бактерий является вид.
Вид — совокупность популяций бактерий, имеющих общее происхождение, экологическое единство, обладающих сходным обменом веществ и энергии, близких между собой по строению генома, морфологическим и биохимическим свойствам и отличающихся от других видов.
Каждый вид бактерий имеет типовой штамм, который является своеобразным его эталоном. Типовые штаммы имеют наиболее полную биологическую характеристику и хранятся в специальных коллекциях
Штамм — изолят или группа изолятов с одинаковыми фенотипическими и/или генотипическими признаками, относящиеся к определенному виду и имеющие отличия от других изолятов этого вида
Изолят (isolаte) – популяция бактериальных клеток в чистой культуре полученной.
Подвид — совокупность популяций бактерий определенного вида, отличающихся рядом признаков, которые не препятствуют их объединению в вид.
Чистая культура — популяция бактерий, состоящая из особей одного вида. Смешанная культура- совокупность популяций бактерий разных видов. Термином «популяция» обозначают совокупность бактерий одного вида, вегетирующих в определенном биотопе или выращенных на искусственной питательной среде из одной или нескольких клеток.
Род — совокупность близкородственных видов. Каждый род имеет типовой вид, на основе которого он формируется. Вид Escherichia coli является типовым для рода Escherichia, а Corynebacterium diphtheria-типовым видом рода Corynebacterium.
Семейство — совокупность взаимосвязанных родов. Сходные семейства объединяются в порядок, а они, соответственно, в классы, филии, царство и домен. В практической медицинской бактериологии высшие таксоны — порядок, класс, филия (тип) царство имеют меньшее значение, чаще всего определяют до вида, штаммовой особенности.
Иерархия таксонов в классификации микроорганизмов
Империя Жизнь (lmperium Vita)
Домен (Domian)
Царство (Regnum)
Отдел (Phylum)
Порядок (Ordo)
Семейство (Familia)
Род (Genus)
Вид (Species)
Принципы систематики бактерий
Бактерии как биологические объекты обладают комплексом разнообразных свойств.
Свойства бактерий, которые реализуются (проявляются) при определенных условиях, получили название фенотипических, а которые передаются по наследству -генотипических. До появления методов молекулярной биологии бактериологу для идентификации бактерий были доступны лишь фенотипические признаки.
Фенотипическая или нумерическая таксономия использует широкий диапазон признаков характерных для бактерии (окраска по Граму, форма и размер клетки, подвижность, наличие капсулы, тип дыхания, биохимическая активность, антигенные свойства, чувствительность к бактериофагам антибиотикам и др.). Установление сходства или различия между бактериями основывается на расчетах коэффициента подобия.
Шкала измерения варьирует от 0 до 1 или от 0 до 100% (где 1 или 100%) означают полную идентичность. Так, если для типирования чистой культуры микроба используется 100 признаков и изолят А имеет сходство по 80 из них с изолятом В, то коэффициент подобия 80% или 0.8.
Геносистематика — объединение бактерий на основе степени сходства геномов Важнейшими из них являются молекулярно-генетические критерии (молярное содержание Г+Ц, сходство последовательностей оснований в 16S 18S и 23S РНК, риботипирование секвенирование).
“Золотым стандартом" определения родственности бактерий является установление сходства последовательности оснований (сиквенсов) структуры гомологичных фрагментов 16S или 23S Ррнк
Стратегии секвенирования генома
Сравнительные аспекты секвенирования геномов бактерий позволяют определить наличие общих генов, регуляторных механизмов, установить эволюционные внутри и межвидовые связи и являются основой структурной и эволюционной геномики.
Математическим анализом геномов микроорганизмов занимается новая наука — биоинформатика Предметом исследований являются сиквенсы фрагментов или полных геномов бактерий с помощью разрабатываемых компьютерных программ и баз данных информации о нуклеиновых кислотах и белках.
Хемосистематика — классификация бактерий на основе хемотаксономических признаков (химический состав клеточных стенок, состав продуцируемых жирных кислот)
Номенклатура – принципы наименования бактерий. Наименования бактерий должны быть стабильными, научно обоснованными и целесообразными. Различают неформальную (тривиальную, местную) и научную номенклатуру.
Неформальная (местная) номенклатура применяется для обозначения изолятов и штаммов бактерий, полученных в лаборатории.
Правила научной номенклатуры бактерий изложены в специальном руководстве Международный кодекс номенклатуры прокариот "lnternational Code for the Nomenclature of Bacteria" (ICNВ) или Бактериологический кодекс (ВС), который регулирует научные названия для бактерий и архей.
Первоначально Международный кодекс ботанической номенклатуры касался бактерий, и в нем сохранялись ссылки на бактерии, пока они не были устранены на Международном ботаническом конгрессе 1975 года. Ранний код номенклатуры бактерий был утвержден на 4-м Международном конгрессе по микробиологии в 1947 году, но позже был отброшен.
Основой для названий бактерий являются утвержденные списки с 1980 года. Новые названия бактерий рассматриваются ІСSР как соответствующие Правилам номенклатуры и публикуются в IJSEM. В соответствии с ними вид бактерий обозначается двумя (бинарная номенклатура) латинскими именами — первое характеризует род (genus), a второе-вид (species).
Название семейства всегда заканчивается на — асеае. Например, семейство энтеробактерий — Enterobacteriaceae, pon - Escherichia, вид -Escherichia coli (E.coli), вариант (серовар) — О157:Н7, штамм - xуz. Подвид имеет тройное название (тринарен). Для его обозначения после видового названия добавляют третье слово — подвид (subspecies). Например, Klebsiella pneumoniae subsp. rhinoscleromatis (палочка склеромы, где rhinoscleromatis — название подвида).
С 1975 года большинство бактерий подпадало под действие бактериологического кодекса. Однако цианобактерии по-прежнему подпадали под действие ботанического кодекса. Начиная с 1999 года на цианобактерии распространялись как ботанический, так и бактериологический кодексы. Эта ситуация вызвала номенклатурные проблемы. В 2021 году ІСSР провела официальное голосование по трем предложениям, и был выбран вариант отнесения их к действительной публикации в соответствии с ботаническим кодексом как к действительной публикации в соответствии с бактериологическим кодексом.
С 2001 года при описании нового вида бактерий или архей необходимо указывать типовой штамм. Типовой штамм представляет собой живую культуру, к которой формально прикреплено научное название этого организма. Чтобы новое название вида было опубликовано на законных основаниях, типовой штамм должен быть депонирован в общедоступной коллекции культур по крайней мере в двух разных странах. До 2001 года вид также можно было охарактеризовать с помощью описания, сохранившегося образца или иллюстрации.
Для каждого вида прокариот существует штамм одного типа, но разные коллекции культур могут обозначать уникальное название для одного и того же штамма.
Когда вид прокариот не может быть культивирован в лаборатории (и, следовательно, не может быть помещен в коллекцию культур), ему может быть присвоено предварительное название candidatus, но оно не считается официально опубликованным.
20.09.2024 Физиология бактерий. Основы метаболизма.
Особенности метаболизма:
его интенсивность имеет достаточно высокий уровень
процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции
субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк — от углекислого газа, азота нитритов, нитратов до органических соединений включая антропогенные вещества — загрязнители окружающей среды
бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов — это также способствует высокой интенсивности метаболических процессов и широте субстратного спектра.
Катаболизм (диссимиляция) - распад веществ в процессе ферментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ.
Анаболизм (ассимиляция) - синтез веществ с затратой энергии. Химическая структура бактерий:
биогенные химические элементы (органогены) С, O, N, Н-95% сухого остатка, в том числе 50%-С, 20%-0, 15%-N, 10%- Н
макроэлементы -P, S, Cl, K, Mg, Ca, Na- около 5 %.
микроэлементы -Fе, Си, І, Со, Мо и др.-доли процента.
Белки
простые (протеины)
сложные (протеиды), в комплексе с липидами, сахарами
о структурные (структурообразующие)
функциональные (регуляторные) белки ферменты.
«Оригинальные » белки и АК
Диаминопимелиновая кислота, D-аланин, D-глютанин,
дипиколиновая кислота,
флагеллин
пилин.
Нуклеиновые кислоты
Рибонуклеиновые кислоты (РНК): р-РНК(рибосомальная)— 80-85%, о т-РНК (транспортная) - 10%, м-РНК (матричная)— 1-2%.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) с хромосомная ДНК, с плазмидная (внехромосомная) ДНК
Липиды
Микобактерии - большое количество липидов (до 40% сухого остатка). У микобактерий туберкулеза в составе липидов имеется ряд кислотоустойчивых жирных кислот - фтионовая, миколовая и др.
Тейхоевые кислоты — водорастворимые линейные полимеры, содержащие остатки глицерина или рибола, связанные фосфодиэфирными связями.
Углеводы
Экзоклеточные полисахариды каркасные и истинно экзополисахариды. о эндоклеточные полисахариды запасные питательные вещества клетки (крахмал, гликоген и др.).
Липополисахарид (ЛПС) — это соединение липида с полисахаридом
Типы питания микроорганизмов. По характеру источника использования энергии микроорганизмы делятся на фототрофы, использующие для биосинтетических реакций энергию солнечного света, и хемотрофы - получают энергию за счет окисления неорганических веществ (нитрифицирующие бактерии и др.) и органических соединений (большинство бактерий, в том числе и патогенного для человека вида)
По характеру усвоения азота и углерода. По усвоению углерода бактерии делят на: о аутотрофы (литотрофы) — бактерии, использующие в качестве источника углерода С02 воздуха о гетеротрофы (органотрофы) — бактерии, которые нуждаются для своего питания в органическом углероде (углеводы, жирные кислоты).
В зависимости от природы доноров электронов:
фототрофные литотрофы;
хемотрофные литотрофы — использующие в качестве доноров электронов неорганические соединения;
фото- и хемоорганотрофы использующие только органические соединения.
По способности усваивать азот микроорганизмы делят на аминоавтотрофов и аминогетеротрофов
Аминоавтотрофы — для синтеза белка клетки используют молекулярный азот воздуха или усваивают его из аммонийных солей
азотфиксирующие микроорганизмы способны усваивать молекулярный азот атмосферы
Аминогетеротрофы — получают азот из органических соединений аминокислот, сложных белков. Сюда относятся все патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитов. Большинство патогенных для человека микроорганизмов способны ассимилировать только азот органических соединений
микроорганизмы, ассимилирующие неорганический азот: солей аммония — аммонифицирующие;
нитратов — нитратредуцирующие; . нитритов — нитритредуцирующие
Прототрофы - микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, аминокислоты и др.)
Ауксотрофы - Микроорганизмы, неспособные синтезировать какое-либо из необходимых соединений и ассимилирующие их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина (человека, животного), называются ауксотрофами по этому соединению. Чаще всего ими являются патогенные или условно- патогенные для человека микроорганизмы.
Факторы роста. Наряду с пептонами, углеводами, жирными кислотами и неорганическими элементами бактерии нуждаются в специальных веществах — ростовых факторах, играющих роль катализаторов в биохимических процессах клетки и являющихся структурными единицами при образовании некоторых ферментов. К факторам роста относятся различные витамины, некоторые аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания и др
Питательные среды делят на основные группы:
универсальные;
специальные
избирательные (элективные)
дифференциально-диагностические
1.. Универсальные (МПА, МПБ) содержат питательные вещества, в присутствии которых растут многие виды патогенные и непатогенных бактерий
2. Специальные питательные среды применяют для выращивания бактерий, не размножающихся на универсальным средах (кровяной, сывороточный агар, сывороточный бульон)
3. Избирательные (элективные) среды служат для выделения определенного вида микробов, росту которых они способствуют, задерживая или подавляя рост сопутствующих микроорганизмов. Соли желчных кислот, подавляя рост кишечной палочки, делают среду элективной для брюшного тифа.
4. Дифференциально-диагностические среды позволяют отличить один вид от другого по ферментативной активности. Например, среды Гиса с углеводами и индикатором. При росте микроорганизмов, расщепляющих углеводы, изменяется цвет среды.
5. Кроме того, в лабораториях для первичного посева п транспортировки исследуемого материала применяют консервирующие среды (глицериновую, магниевую п т. д.)
Питание бактерий
пассивная диффузия
облегчённая диффузия
активный транспорт- основной вид питания, с затратой энергии, энергия используется для преобразования субстрата, чтобы пермиаза не утащила этот субстрат из клетки.
У эукариотических микроорганизмов питание происходит путём экто- и эндоцитоза.