Конспект лекций

Microbiology

Данный документ ни в коем случае не является пособием для подготовки к экзамену по микробиологии. Данные ни разу не актуальны, лживы и богохульны. Кто не будет ходить на лекции Галины Анатольевны, тот сгорит в аду. Документ вы скачали со флешки, которую выменяли у цыган. Рекомендуется удалить сразу после прочтения данного введения. Любите маму, мойте руки с мылом. Удачи.

3

Биосфера и бактерии

Формирование первичной биосферы Земли происходило от 3,5 до 3,8 млрд. лет назад и в основе этого формирования лежали возникновение и работа бактерий. Кроме того, 2 млрд. лет назад начали работать биогеохимические циклы или круговороты, т.е., благодаря включению этих циклов стало происходить превращение и перенос самых разных соединений в биосфере Земли. Кроме того, с деятельностью бактерий связано формирование почвенного покрова Земли, формирование существующих биоценозов и формирование других сообществ на Земле. С бактериями связано образование эукариошек, которое датируется 500 млн. лет назад. Естественно, что именно бактерии стали пищей для первых эукариотических организмов. С ними связано формирование месторождения полезных ископаемых, руд (600 млн. лет назад). Кроме того, именно бактерии обладают уникальным свойством убиквитарности.

Убиквитарность – вездесущность.

Изначальное формирование микросред, которое лежит в основе убиквитарности, связанно именно с бактериями. С деятельностью бактерий связано формирование кислородной атмосферы. С бактериями связан стартовый процесс обмена и переноса генетической информацией. Бактерии являлись и до сих пор являются катализаторами циклов, связанных с азотом и углеродом (с основами жизни). Кроме того, бактерии хорошие, важные, лежат в основе всей дальнейшей жизни, которая возникла на заре формирования мира, но до сих пор бактерии активно участвуют в поддержании существования данного мира. В том числе, бактерии являются продуцентами парниковых компонентов в атмосфере. Двуокись углерода, оксиды азота, озон. Кроме того, деятельность бактерий связана с проблемой азотофиксации, восстановление сульфатов, образование метана. Убиквитарность связана с разнообразием свойств бактерий.

Фотосинтез у бактерий осуществляется не только за счет бактериохлорофила, этот процесс происходит так же за счет бактериородопсина, который похож на зрительный пигмент животных и в основе этой похожести лежит содержание каратиноида ретиналь. Много бактерий обладает способностью к спорообразованию (актиномицеты).

Естественно, споры бактерий отличаются от спор растений. Бактерии очень разнятся по своей морфологии. Многое зависит от клеточной стенки. Стенка привела к разделению на четыре большие группы:

Систематика бактерий

1) Gracilicutes (Грам-отрицательные). В основе окраски по Граму лежат тинкториальные свойства – восприимчивость к анилиновым красителям. Этот отдел включает организмы с разной морфологией, имеющие грам-отрицательную клеточную стенку. Размножаются в основном бинарным делением, в некоторых группах почкованием, в одной – множественным делением. Спор не образуют. Многие из грациликут подвижны, двигаются либо с помощью жгутиков, либо путем скольжения. По отношению к кислороду относятся к трем основным группам.

1.1) Scotobacretia

1.2) Anoxyphotobacteria

1.3) Oxyphotobacteria

2)Firmicutes (толстокожие). Гр+. Размножаются в основном бинарным делением. Есть организмы, которые образуют споры (могут быть эндоспоры или споры на гифах или споры в спорангиях). В большинстве своем фирмикуты неподвижны, но есть такие, которые способны перемещаться с помощью жгутиков. По отношению к кислороду относятся ко всем трем группам. 2.1) Firmicacretia – коки, палочки, неветвящиеся формы

2.2) Tallobacteria – ветвящиеся формы

3)Tenericutes. Мягкокожие. Прокариоты, у которых отсутствует клеточная стенка. Не синтезируются предшественники пептидогликана, который являет уникальное (присущее только бактериям) соединения, именно на основе этого элемента по сути происходит деление на 4 отдела

ис ним связана разница окраски по Граму. Форма поддерживается цитоплазматической мембраной. По своей морфологии плеоморфны. Размножаются бинарным делением, кроме того почкованием, а так же фрагментацией. По Граму эти бактерии не окрашиваются. Характерно образование мелких врастающих в питательный агар колоний. Обычно тенерикуты неподвижны, хотя некоторые из них могут обладать скользящим типом движения. По степени патогенности относятся ко всем группам.

3.1) Mollicutes (Микоплазмы).

4)Mendosicutes (ошибочный). В этот отдел объединены прокариоты, по имеющимся данным претендующие на более раннее происхождение, чем формы, как минимум включенные в отдел Грациликут и Фирмикут. Самое большое разнообразие форм прокариот: коки, палочки, нити, все возможные варианты. Наличие особой клеточной стенки. Для последних двух отделов характерен плеоморфизм. Клеточная стенка не содержит типичного пептидогликана. Клеточная стенка может быть построена только из белковых макромолекул или гетерополисахаридов, при этом при окраске по граму могут быть идентифицированы и как Гр+ и как Гр−. Большинство Мендозикут строгие анаэробы. Многие имеют жгутики. Именно мендозикуты характеризуются экологическим и метаболическим разнообразием, а на основе этого именно для них характерна возможность существование в самых экстремальных условиях.

4.1) Archaeobacteria.

5

Еще немного общих сведений

Бактерии обнаруживаются в большинстве природных сред обитания, поскольку клетки наиболее мелких бактерий имеют в диаметре около 0,3 микрона. В природе бактерии занимают великое множество экологических ниш. Встречаются в любом месте нашей планеты. Исключения

– кратеры действующих вулканов, а также небольшие площадки в эпицентрах взорванных атомных бомб. Микрофлора развивается в условиях сверхнизких температур, в кипящих гейзерах, соляных бассейнах, на горных вершинах в условиях сильной инсоляции, а также в средах с сильными колебаниями кислотности.

Огромное количество поколений бактерий прошло под действием времени и изменявшейся среды обитания. Была осуществлена эволюционная шлифовка. Микроорганизмы научились приспосабливаться к условиям внешней среды, а в некоторых случаях бактерии научились приспосабливать среду к себе, например, подкислять и нейтрализовать среду. Иногда даже способны поддерживать температурный режим. Благодаря своим адаптационным способностям, микроорганизмы до сих пор первыми приспосабливаются к новым условиям существования, возникающим в результате хоз. деятельности.

Бактерии не гибнут в вакууме и при сверхнизких температурах. Способны выдерживать пребывании в вакуумной камере (10^-9 мм рт. ст.) и при температуре от -40 до -160 в течение 500 часов. Бактерии можно обнаружить в охлаждающих водных контурах атомных реакторов (500 и более рентген в час). В Марианской впадине 1100 атмосфер, даже там живут бактерии. Некоторые бактерии выдерживают давление до 3000 атмосфер в течение нескольких часов без потери активности. Известно немало организмов, которые при недостатке питательных веществ и комплексе других неблагоприятных условий выживаю за счет того, что они освоили процесс спорообразования и формирование цист. В форме спор или цист бактерии могут находиться сотни или тысячи лет, в ожидании, когда все станет хорошо.

Одной из природных сред обитания микроорганизмов являются факторы не только внешней среды, но и другие живые организмы. Микроорганизмы могут выступать в форме типичных паразитов. Но населяя организмы других живых существ, они могут выполнять и полезные для этих живых объектов функции. Например, формирование микориз. Еще полезны некоторые микробы, населяющие кишечник человека. Огромный объем работы по переработке растительной пищи в желудке жвачных животных проводят именно микроорганизмы. Бактерии уникальны тем, что способны превращать целлюлозу в глюкозу. Некоторые бактерии (эпифиты) поселяются на листьях и через устьица обмениваются факторами роста с растениями.

В кишечнике бактерий столько, что они весят 1,5 кг.

Бактерии синтезируют витамины, незаменимые аминокислоты, важными функциями обладают молочнокислые бактерии. Образуя молочную кислоту, они создают неблагоприятные условия для развития гнилостных и патогенных бактерий.

По самым скромным подсчетам, только в кишечник человека включено не менее 500 видов бактерий.

Бактерии могут поселяться на поверхностях и в тканях корней. На 1 грамм сухого веса корней, приходится до миллиарда бактерий азотфиксаторов.

Таким образом, в настоящее время бактериями заселено ВСЕ. В качестве экстремальных сред выделяют Антарктику, гейзеры, термальные сульфидные источники, насыщенные растворы солей (воды Мертвого моря), глубинные точки мирового океана, горные вершины с сильной инсоляцией, урановые рудники, водные контуры атомных реакторов, сахарные, кислые, щелочные среды, можно встретить и в космосе.

6

Архебактерии

Максимально представлены среди жителей экстремальных сред архебактерии.

По современной классификации в этот класс объединяют порядка 25 родов и более 50 видов. Архебактерии резко отличаются от всех прокариот по целому ряду признаков. Например, по биохимическому составу. От всех других прокариот они отличаются по составу и первичной структуре рибосомальной 16s структур, а также они отличаются по составу и первичной структуре транспортных РНК.

Помимо этого, от всех других прокариот они отличаются по химическому составу клеточной стенки. Типичного гликана у них нет, он заменен белковыми макромолекулами и полисахаридными структурами. Липиды цитоплазматической мембраны не содержат жирных кислот. Они представлены простыми эфирами глицерина и двух остатков спирта дегидрофетола. Кроме того, у некоторых архебактерий липиды мембран являются даже тетраэфирами, и в этом случае их цитоплазматическая мембрана содержит как бы один «полноценный» липидный слой. Кроме того, некоторые коферменты архебактерий не встречаются больше ни у кого. Это, например, коэнзим-М.

Кроме того, помимо отличительных особенностей, касающихся проблем биохимии, морфологически они также отличаются тем, что архебактерии морфологически менее разнообразны, чем истинные бактерии хотя и среди них встречаются кокковые формы, палочки, спириллы, но при этом сложные многоклеточные образования (мицелиальные образования) для них не характерны. Но при этом только у архебактерий встречаются необычные формы микроорганизмов. Например, представители рода Метанопланум. Для них характерно наличие таких необычных форм.

В клеточной стенке всех архебактерий отсутствует муреин, но имеются уникальные гетерополисахариды, это, например, определенные уроновые кислоты и другие гетерополисахариды. Вещество клеточной стенки некоторых архебактерий носит название псевдомуреина. Это гликопептид, у которого вместо мурамовой кислоты имеется талозаминуроновая кислота. Также в псевдомуреине, в отличие от истинного муреинового слоя, отсутствуют D-аминокислоты в пептидных мостиках. Более того, есть архебактерии, у которых клеточная стенка отсутствует вовсе. Например, у Термоплазм.

Состав рибосомальных белков у архебактерий несколько отличен от эубактерий. Для них характерно уникальное строение ДНК-зависимых РНК-полимераз. Эти соединения отличаются по субъединичному составу. У архебактерий от 9 до 11 субъединиц, у эубактерий от 4 до 8.

Чувствительность к антибиотикам.

Для ограниченного числа архебактерий характерно наличие ферментов и уникальных хромофорных кофакторов.

Также необходимо отметить, что среди архебактерий есть самые строгие анаэробы, погибающие даже в присутствии следов молекулярного кислорода. Это группа метаногенных бактерий. И такие же строгие аэробные организмы.

Для архебактерий свойствены уникальные физиологические признаки. Так, например, у галобактерий, обнаружен новый путь фотосинтеза, при котором кванты света поглощаются не хлорофиллом, а пигментным белком бактериородопсином. Именно среди архебактерий встречаются экстремальные галофилы, экстремальные ацидофилы, экстремальные термофилы.

Среди архебактерий отсутствуют активные продуценты гидролитических ферментов, т.е. для них

характерна слабая протеолитическая и аминолитическая активность. Что касается включений,

то у архебактерий обнаружен только гликоген.

7

В классе выделяют: метанобразующие бактерии, аэробные серные, анаэробные серные, галобактерии, термооцидофильные бактерии. Все это – уникальные микроорганизмы, обладающие уникальными способностями.

Элементы ДНК прокариот

Подробней в спецкурсе по генетике бактерий.

Еще одним подтверждением убиквитарности является система адаптивных реакций бактерий. Они могут быть очень разные, затрагивать самые разные стороны жизнедеятельности бактерий.

Молекулы ДНК бактерий взаимодействуют постоянно. Это ведет к тому, что отдельные клетки даже одного и того же клона могут отличаться структурой генома, что дает материал для отбора при изменении условий среды. Ебать в параллелепипед. Ну и как же так? Колоссальная пластичность адаптаций у бактерий обусловлена двойственной генетической информацией, которая присуща бактериям, что отличает их от людей. Двойственность объясняют с одной стороны хромосомами, а с другой – внехромосомными факторами наследственности. Ее будут интересовать IS элементы, транспозоны, плазмиды (эписомы). Горизонтальная передача генетических детерминант, которая осуществляется как внутри вида, но также между видами и даже между родами осуществляется, прежде всего, посредством этих внехромосомных факторов наследственности. Например, плазмидные гены определяют адаптацию к факторам среды. Например, гены устойчивости к токсическим веществам (tox-гены), гены патогенности, гены, позволяющие использовать некоторые органические соединения, гены, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, к тяжелым металлам, и тогда речь об R-плазмидах.

В отличие от хромосомы эукариот, гены прокариот организованы в более простую структуру, она представляет собой кольцевую молекулу ДНК. За счет бактериальной хромосомы происходит вертикальная передача генетической информации.

Внехромосомные факторы наследственности входят в состав многих микроорганизмов. Все факторы представляют собой молекулы ДНК, которые отличаются друг от друга молекулярной массой, объемом закодированной в них информации, плюс к этому они отличаются способностью к автономной репликации, а также некоторыми другими признаками. Хотя, и транспозоны и плазмиды, а также IS последовательности являются генетическими структурами. Они не являются жизненно необходимыми генетическими элементами для бактериальной клетки.

Плазмиды

Плазмиды могут быть встроены в хромосому (интегрированы). Могут быть либо в автономном (могут самостоятельно реплицироваться), либо нет. Транспозоны и IS связаны с хромосомой и не способны к самостоятельной репликации.

Плазмиды несут две функции: регуляторная и кодирующая. Регуляторная состоит в компенсации нарушений метаболизма ДНК клетки-хозяина. Например, при интегрировании плазмиды в состав поврежденного бактериального генома, не способного к репликации, встраивается плазмида и функция этой хромосомы восстанавливается за счет репликона плазмиды. Кодирующая функция плазмид состоит во внесении в бактериальную клетку новой информации. Об этой новой информации судят по приобретаемому признаку. Например, по формированию резистентности к антибиотикам (R-плазмида), по формированию пилей (F-плазмида), по выделению бактериоцинов (Col-плазмида).

8

В некоторых случаях продукты плазмидных генов могут способствовать выживанию несущих эти структуры бактерий. При этом хотелось бы подчеркнуть, что самостоятельная репликация плазмидной ДНК способствуют ее сохранению и распространению в потомстве. Кроме того, встраиваемые плазмиды также как и встраиваемые профаги осуществляют это встраивание только в гомологичных участках бактериальной хромосомы, тогда как IS последовательности и транспозоны способны встраиваться в любой участок хромосомы.

По самым скромным подсчетам описано свыше двух десятков ~~~~~~.

F-плазмиды

Другое название – половой фактор. Это плазмида представляет собой циркулярно замкнутую нить ДНК. Она контролирует синтез половых ворсинок, так называемых SEX-пилей. В свою очередь эти структуры способствуют эффективному спариванию бактерий-доноров и клеток-реципиентов в процессе конъюгации. F-плазмида реплицируется прежде всего в независимом от хромосомы состоянии. Из клетки в клетку передается она в процессе конъюгации. F-плазмиду можно элиминировать (удалить) из клетки. Для этого существует изрядное количество методов. Кроме того, что легкая и эффективная иллиминация F-плазмиды перед ее передачей реципиентам дали исследователям основание полагать, что располагается она в цитоплазме, вне хромосомы. При этом плазмида может встраиваться непосредственно в бактериальную хромосому и находиться не только в автономном, но и интегрированном состоянии.

R-плазмида

Эти плазмиды определяют устойчивость бактерий и хозяев к разнообразным лекарственным препаратам. Передача именно R-плазмид привела к такому широкому сегодня распространению среди патогенных микроорганизмов, а также среди условно патогенных бактерий этого свойства. Значит, наличие этой плазмиды осложнило химиотерапию вызываемых этими бактериями заболеваний. Эти плазмиды имеют достаточно сложное строение на молекулярном уровне. В их состав входят r-гены, которые могут содержать более мелкие мигрирующие элементы (IS последовательности, транспозоны и некоторые другие опероны). Что касается r-гена, то он ответствен за устойчивость бактерий к какому-либо антибиотику. Он контролирует синтез фермента, который вызывает его активацию или модификацию. Значительное число r-генов является транспозонами, и эти транспозоны могут перемещаться от плазмиды-носителя в другие репликоны. Кроме того, в одном r-гене может содержаться несколько транспозонов, каждый из которых контролирует устойчивость к разным антибиотикам. И именно с такой особенностью связывают множественную лекарственную резистентность бактерий.

tra-оперон. Он обеспечивает конъюгативность этой плазмиды и входит в состав R- плазмид только у Гр−. В отличие от Гр−, Гр+ содержат в основном не конъюгативные плазмиды. Они могут передаваться от одной бактерии к другой в процессе трансдукции.

Плазмиды патогенности

Они контролирует вирулентные свойства бактерий, в том числе токсинообразование.

Вирулентность – степень патогенности. Это признак штаммовый, культуральный. Т.е.

вирулентность разных штаммов внутри одного вида может варьировать от высоковирулентных штаммов до авирулентных. Но патогенный микроб патогенен всегда, даже если вирулентность снижена и его можно отнести к авирулентной бактерии. Существует

9

значительное количество факторов вирулентности, которые повышают или понижают ее. Токсинообразование – одно из свойств, обуславливающих вирулентность (как синтез экзо-, так и синтез эндотоксинов).

Бактериоценогенные плазмиды

Эти плазмиды контролируют синтез особого рода антибактериальных веществ бактериоцинов. Эти вещества способны вызывать гибель бактерий того же вида, либо близких видов. Бактериоцины обнаружены у кишечных бактерий и применительно к кишечным бактериям они называются колицины. Бактерии чумы также синтезируют бактериоцины, но у них они называются пестицины. У холерного вибриона это вибриоцины. Стафилококк – стафилоцины. Наиболее изученными считаются колицины, которые синтезируются кишечными палочками и некоторыми другими энтеробактериями.

Именно колицины энтеробактерий синтезируются под контролем колициногенных плазмид. Известно более 25 типов колицинов, которые различаются по своим физико-химическим, а также по своим антигенным свойствам. Кроме того, эти 25 типов колицинов отличаются способностью абсорбироваться на определенных участках поверхности бактериальных клеток.

Для обозначения этих 25 типов используются буквы латинского алфавита, а для некоторых из них входят арабские цифры.

При обычных условиях синтеза колицина не происходит. В обычных условиях примерно у одной из тысячи бактериальных клеток отличается спонтанная продукция колицина. Но под действием неблагоприятных факторов ситуация меняется и количество синтезирующих клеток может существенно увеличиться. При обработке различными агентами, например УФ лучи. Под действием колицина погибают не только соседние клетки. Может погибнуть и погибает сама продуцирующая клетка.

В результате, при учете действия и работы Col-плазмид, бактерии, которые несут эти плазмиды, могут быть резистентны к действию гомологического колицина, а не только непосредственно своего. В результате, характерной чертой Col-плазмид является потенциальная летальность для клеток-продуцентов, что сближает эти плазмиды с профагами.

Механизм бактерицидного действия даже только колицинов не одинаков. Например, после адсорбции на рецепторах наружной мембраны бактерий один из колицинов нарушает функцию рибосом, другой колицин работает, являясь ферментов. Кроме того, имеются колицины, действующие непосредственно на цитоплазматическую мембрану бактерий и т.д. Колициногенные плазмиды находятся в автономном состоянии, т.е. они передаются из клетки в клетку при конъюгации, без сцепления с хромосомы. Некоторые из них могут встраиваться в бактериальную хромосому и находиться в интегрированном состоянии. Такие интегрированные колициногенные плазмиды, как и F-плазмиды передаются путем конъюгации в реципиентные клетки, но для этого у них должен быть в составе tra-оперон.

Широкое распространение явления бактериоценогении среди микрофлоры организма человека имеет экологическое значение, потому что это явление являет на качественный и количественный состав микрофлоры разных биотопов человеческого организма, т.е. в целом явление влияет на формирование микробных биоценозов организма человека.

Так, колицины могут губительно действовать на патогенные энтеробактерии, которые попадают в кишечник перорально. А раз Коля уничтожает патогенные бактерии, они способствуют нормализации естественного биоценоза разных отделах желудочно-кишечного тракта.

Кроме того, способность продуцировать различные типы колицинов используется при типировании бактерий при проведении эпидемиологического анализа, вызываемых

10