Основы общей микробиологии и иммунологии. Учебное пособие

Существуют бактерии, не имеющие клеточной стенки. Иногда это видовой, врожденный признак, как у микоплазм. В других случаях в утрате клеточной стенки виноваты внешние воздействия. Впервые такое явление было отмечено сотрудниками Института имени Листера в Англии. Микроорганизмы, лишенные клеточной стенки, получили название “L –формы” по первой букве названия института – листеровский. L – формы могут образовывать как грамположительные, так и грамотрицательные микроорганизмы под действием ряда факторов, в частности, антибиотиков (например, пенициллина). L – формы могут длительно выживать в организме и на питательных средах, склонны к полиморфизму, их биохимическая активность и вирулентность снижаются, а резистентность к действию антибиотиков и антител повышается, антигенные свойства изменяются. Переход в L – формы делает бактерии “неузнаваемыми”, создавая трудности при диагностике заболеваний. Клетки, полностью утратившие клеточную стенку, называют протопластами. Они имеют шаровидную форму и их образуют грамположительные бактерии. а– сферопластами. Грамотрицательные бактерии не полностью утрачивают клеточную стенку и образуют сферопласты.

Цитоплазматическая мембрана прилегает к кле-

точной стенке с внутренней стороны и отграничивает цитоплазму. Ее разрушение приводит к гибели клетки. Мембрана выполняет: защитную, метаболическую функции, участвует в процессе деления клеток и спорообразовании. Во внутрь (в сторону цитоплазмы) от мембраны отходят особые образования – мезосомы, функция которых до конца не выяснена, но полагают, что они участвуют в тех же процессах, что и сама мембрана.

Цитоплазма – коллоидная система, в которой находятся нуклеоид, рибосомы, зерна волютина и др. включенияю. У прокариот цитоплазма не имеет отдельных изолированных участков – компартментов.

11

Рибосомы – рибонуклеопротеидные частицы, участвующие в синтезе белка.

Генетический материал (синонимы: геном, ядер-

ный аппарат, нуклеоид, хромосома) бактерий представлен двухнитевой ДНК, расположенной в виде кольца. Для дифференциации видов микроорганизмов используют методы, позволяющие определить процентное содержание Г+ Ц (гуанина и цитозина в молекуле ДНК).

Плазмиды – внехромосомные молекулы ДНК, расположенные в цитоплазме и имеющие маленькую молекулярную массу выполняют ряд функций, которые описаны в главе “Генетика микроорганизмов”.

Жгутики – органоиды движения, состоящие из базального тела, локализованного в ЦПМ, крюка и нити. Жгутики проходят через клеточную стенку и располагаются снаружи в виде нитей. В зависимости от количества и расположения жгутиков подвижные бактерии подразделяют на: монотрихи (один жгутик расположен на конце клетки); лофотрихи (пучок из нескольких жгутиков, сосредоточенных на одном из концов клетки); амфитрихи (по одному или пучками жгутики расположены на двух концах клетки); перитрихи (жгутики находятся на поверхности всей клетки). Скорость движения у бактерий неодинакова. Бактерии способны двигаться под воздействием некоторых факторов. Это так называемый таксис. Движение может быть направлено как в сторону раздражителя (положительный таксис), так и от него (отрицательный таксис ). Различают аэро -, хемо-, фото -, термо -, гидро -, гео -, магнето – и другие таксисы.

Ворсинки (пили,фимбрии) ) располагаются в виде выростов на поверхности клетки, но не участвуют в движении. Одни из них помогают бактериям адгезироваться, другие участвуют в процессе конъюгации.

Спора – образуется у бацилл и служит для сохранения вида в неблагоприятных условиях. Одна клетка превращается в одну спору, которая может располагаться в центре

12

клетки (центрально), на одном из концов (терминально) или ближе к одному из концов (субтерминально). При попадании во внешнюю среду споры сохраняются там длительное время (десятки и сотни лет). Они выдерживают кипячение в течение нескольких часов, не погибают под действием дезинфицирующих веществ. При благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку.

Морфология грибов. Принципы классификации

Грибы (fungi) представляют собой эукариоты. Клетка носит название: гиф. Сплетение гифов образует мицелий, который может быть одноклеточным или многоклеточным. В первом случае гифы не имеют перегородок и представляет собой несептированный мицелий. Разделенный на отдельные клетки перегородками мицелий называется септированным. Различают также субстратный (стелящийся по поверхности субстрата) мицелий и воздушный, приподнимающийся над ним. В состав клеточной стенки входят целлюлоза, хитин, глюкан, белки, липиды. Ядро грибов дифференцировано, имеет ядрышки и покрыто оболочкой, нередко в клетке присутствует несколько ядер. В цитоплазме локализованы органеллы, обнаруживаются волютин, гликоген, жиры. Грибы размножаются несколькими способами: вегетативным, бесполым, половым и почкованием (дрожжи). Бесполое и половое размножение осуществляется спорами, вызревающими в специальных органах спороношения. На плотных питательных средах грибы образуют колонии разнообразной морфологии, часто пигментированные. Большинство грибов имеет аэробный тип дыхания (за исключением дрожжей). Ферментативная активность грибов высока и различается у представителей разных видов. Грибы способны жить в широком диапазоне рН среды, но оптимальными для них являются кислые среды с рН 4,5-6,0. Высокое осмотическое давление

13

в клетках (до 300 атмосфер) позволяет некоторым видам грибов жить в субстратах с высокой концентрацией солей. Основные таксономические единицы, выделяемые у грибов – семейство, класс, подкласс, род и вид. Выделяют 7 ос-

новных классов: Chytridiomycetes, Hyphochitridiomycetes, Oomycetes, Zygomicetes, Ascomycetes, Basidiomycetes и Deuteromycetes. Среди грибов насчитывается до 400 видов, патогенных для человека. В ряде случаев грибы могут стать причиной неинфекционных заболеваний, вызванных видами, продуцирующими токсины. Тяжелые отравления возникают при употреблении в пищу несъедобных грибов (мухоморы, бледная поганка), а также токсинов, попадающих в продукты из растений, пораженных фитопатогенными грибами. Фармацевтическая промышленность использует некоторые грибы и продукты их метаболизма для получения лекарственных препаратов (спорынья синтезирует эрготоксин). Многие грибы являются также продуцентами антибиотиков.

Простейшие (протисты). Морфология. Принципы классификации

Простейшие (Protista) – крупные одноклеточные микроорганизмы (10-50 мкм и более), представленые более чем 30 тысячами видов. Они обладают всеми органеллами, присущими эукариотам. Их клетка состоит из ядра, эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, митохондрий, рибосом, лизосом, вакуолей и запасных питательных веществ.

Цитоплазма – гелиеподобный водный раствор, в котором содержатся белки, ферменты, микроэлементы, органические соединения и др. Различают наружный (эктоплазму) и внутренний (эндоплазму) слои. Эктоплазма – более плотный, тонкий и гомогенный слой по сравнению с эндоплазмой. Периферическая часть эктоплазмы образует плотную мембрану – пелликулу, выполняющую защитную, опорную и

14

транспортную функции. Движение простейших осуществляется с помощью псевдоподий, жгутиков и ресничек.

Псевдоподии (ложноножки) не имеют постоянной формы и появляются только при движении в виде временных выростов на поверхности клетки за счет перетекания протоплазмы. Скорость движения у различных видов неодинакова.

Жгутики состоят из трубочек (аксонем), покрытых мембраной, связаны с цитоплазмой с помощью базального тельца и имеют белковый состав. Некоторые простейшие имеют ундулирующую мембрану, проходящую вдоль тела клетки (у трипаносом, трихомонад). У трипаносом есть также кинетопласт, представляющий собой скопление ДНК, заключенное в крупную митохондрию, расположенную у основания жгутика.

Реснички покрывают всю поверхность клетки, устроены по типу жгутиков, но значительно короче.

Как и некоторые бактерии, отдельные виды простейших могут передвигаться путем скольжения.

Цитоскелет простейших играет роль “в перетекании” цитоплазмы и ее органелл, состоит из белковых фибрилл или более толстых образований – филаментных пучков и микротрубочек.

Ядро. Большинство простейших имеет одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки. Ядро окружено двуслойной, пронизанной порами оболочкой и содержит одно или несколько ядрышек. В состав ядра входят: ДНК с различным типом организации ( от линейных до кольцевидных хромосом) и ядерные белки типа гистонов. Деление ядра может идти как путем митоза, так и мейоза.

Рибосомы, митохондрии, лизосомы, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи у простейших по структуре и функциям аналогичны таким же органеллам у других эукариот.

15

Пульсирующие вакуоли – участвуют в регулировании осмотического давления в клетке и удалении продуктов метаболизма.

У простейших, представляющих собой наиболее примитивно организованных одноклеточных животных, присутствуют элементы дифференцировки органелл: выдели-

тельные, пищевые и пищеварительные вакуоли, анальные поры. Существуют простейшие, у которых есть подобие ротовой полости, переходящее в короткую глотку (цитостом). Особенно четко оно выражено у балантидий. У этих же простейших есть и анальная пора – цитопрокт.

Фиксация на субстратах осуществляется с помощью выростов – стебельков, присосок и за счет выделения слизи. Размножаются простейшие бесполым и половым путями. Бесполое размножение может происходить путем продольного или поперечного деления клетки, множественного деления (шизогония малярийного плазмодия), почкования (у некоторых инфузорий). Половое размножение осуществляется способом копуляции (слияния клеток). В неблагоприятных условиях простейшие нередко образуют покоящиеся формы- цисты. Они обладают высокой устойчивостью. В настоящее время выделяют 7 типов простейших: Sarcomastigophora, Labirinthomorfa, Apicomplexa, Microspora, Ascetospora, Myxozoa и Ciliophora. Патогенными для человека являются представители 1, 3 и 7 типов.

ФИЗИОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

Физиология микроорганизмов изучает процессы питания, дыхания, роста и размножения, воздействие факторов внешней среды и взаимоотношения между представителями микромира.

16

Химический состав бактериальной клетки. Вода содержится в вегетативных клетках в количествах от 75 до 85%.В спорах ее меньше – от 40 до 50%.

В сухом веществе бактерий 50 – 80% приходится на долю белков, представленых нуклеопротеидами, липопротеидами, глико и хромопротеидами. Белковую природу имеют ферменты и многие токсины.

Нуклеиновые кислоты составляют от 10 до 30%. Углеводы содержатся в количестве 12 – 185% и слу-

жат, в основном, источником энергии.

Липиды в клетках различных бактерий обнаруживаются в количестве от 0,2 до 40%. Они участвуют в энергетическом обмене, входят в состав токсинов.

Из основных химических элементов клетки на долю углерода приходится 50% , кислорода - 20%, азота -14%, водорода - 8%, фосфора -3%, серы- 1%. Кроме того, бактерии содержат калий, кальций, магний, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, железо, молибден и др.

Совокупность процессов превращения веществ и энергии, направленных на сохранение и воспроизведение жизни, называют обменом веществ или метаболизмом. Он включает два основных процесса – анаболизм и катаболизм.

Анаболизм (конструктивный метаболизм) представляет собою процесс, при котором происходят реакции синтеза молекул клетки микроорганизма.

Катаболизм (энергетический обмен), в результате которого бактерии получают энергию. Энергия выделяется при расщеплении питательных веществ как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Катаболизм и анаболизм взаимосвязаны.

Питание бактерий. Бактерии используют самые разнообразные источники питания и энергии. По источнику энергии микроорганизмы подразделяются на:

– фототрофы (фотосинтезирующие), способные использовать энергию солнечного света;

17

– хемотрофы (хемосинтезирующие ) получают энергию из различных химических веществ в процессе окислительно -восстановительных реакций.

По источнику углерода различают:

–автотрофные (сами себя питающие) получают углерод из углекислого газа атмосферы;

–гетеротрофные (питающиеся за счет других) используют различные углеродсодержащие органические соединения. Они подразделяются на сапрофитов (питаются мертвым органическим веществом) и паразитов или паратрофов (пользуются органическими соединениями живых организмов).

Взависимости от природы окисляемого субстрата, который называют донором электронов (донором водорода) различают органотрофные микроорганизмы и литотрофные. Органотрофы потребляют органические, а литотрофы – неорганические источники электронов. Микроорганизмы, способные сами синтезировать необходимые органические соединения, называют прототрофами. В отличие от них, ауксотрофы нуждаются в одном или более готовых соединений, которые необходимо добавлять в среду при культивировании. Таким образом, при характеристике типа питания учитывают сочетание признаков: источник энергии и углерода, природу донора электронов.

Механизм поступления питательных веществ в клетку. Поступление питательных веществ происходит у бактерий через всю поверхность клетки. Поскольку в цитоплазму могут проникнуть очень мелкие молекулы, сложные вещества за пределами клетки предварительно расщепляются экзоферментами, выделяемыми бактериями. Питательные вещества проникают в клетку несколькими способами:

–пассивная диффузия. Вещества проходят через клеточные мембраны под действием разности концентраций внутри

ивне клетки без затрат энергии;

18

–облегченная диффузия. В ней принимают участие транспортные белки – пермеазы, которые адсорбируют молекулы питательных веществ, вступают с ними во временную связь, переносят их через мембраны и оставляют в цитоплазме. Освободившись от одной молекулы, пермеаза возвращается за следующей. Облегченная диффузия также не затрачивает энергии;

–активный транспорт. Способ переноса питательных веществ аналогичен таковому при облегченной диффузии, но требует определенных затрат энергии;

–перенос групп ( транслокация ) отличается от активно-

го транспорта тем, что в процессе переноса молекула питательного вещества химически перестраивается.

Активный транспорт и перенос групп, требующие энергии, позволяют питательным веществам поступать в клетку даже

втех случаях, когда концентрация веществ в клетке превышает их концентрацию в окружающей среде.

Питательные среды. Для выделения микроорганизмов из исследуемого материала, сохранения и поддержания их роста применяют питательные среды. Питательные среды различаются по:

–по происхождению. Естественные среды – это природные продукты (мясо, молоко, картофель и др.). Искусственные среды могут быть приготовлены на естественной основе с различными добавками ( мясопептонный бульон, молочносолевой агар и др.). Кроме того, разработаны и синтетические, стандартные по составу, среды, приготовленные из химически чистых веществ.

–по консистенции среды бывают жидкими, полужидкими и плотными. Для получения полужидких и плотных сред в них обычно добавляют агар–агар ( полисахарид, получаемый из морских водорослей). Или желатин – животный белок. Полужидкие среды содержат 0,3 – 0,8% агар–агара, а плотные – 1 – 2%.

19

–по составу среды делятся на простые и сложные. К простым относятся мясо–пептонный агар , мясо–пептонный бульон.

–по назначению различают среды:

–универсальные – пригодные для выращивания большинства микроорганизмов;

–специальные – применяемые для культивирования отдельных групп или видов микроорганизмов;

–элективные (обогащенные или избирательные), обеспечивающие преимущественный рост определенного вида. При этом рост сопутствующей микрофлоры подавляется;

–селективные, позволяющие проводить отбор микроорганизмов с определенными признаками, закрепляя их наследственно;

–дифференциально - диагностические, применяю-

щиеся для определения ферментативных свойств микроорганизмов;

–транспортные (консервирующие), используемые для транспортировки исследуемого материала.

Все питательные среды должны отвечать ряду требо-

ваний:

–содержать все необходимые питательные вещества,

–иметь оптимальную для определенных видов микроорганизмов величину рН,

–быть изотоничными, то есть должны содержать 0,5% хлорида натрия,

–обладать определенным окислительновосстановительным потенциалом, то есть соотношением веществ, отдающих и принимающих электроны,

–быть стерильными.

Ряд микроорганизмов (вирусы, риккетсии и др.) не растут на питательных средах. Для их культивирования применяют заражение животных, куриных эмбрионов или культуру клеток.

20