Контрольні запитання

1. У чому полягає зв'язок мікробіології харчових продуктів з іншими науками?

2. За якими напрямами відбувається зв'язок мікробіології з товарознавством харчових продуктів і непродовольчих товарів?

3. Охарактеризуйте морфологічний і фізіологічний періоди розвитку мікробіології.

4. Розкрийте вклад вітчизняних учених у розвиток мікробіології.

5. Розкрийте вклад зарубіжних учених у розвиток мікробіології.

6. Назвіть основні досягнення мікробіологічної науки у XX ст.

Лекція 2. Морфологія та систематика мікроорганізмів

План лекції

1. Систематика бактерій.

2. Розміри, форма та будова бактеріальної клітини.

3. Розмноження та рухливість бактерій.

4. Спороутворення бактерій.

Систематика - розподіл мікроорганізмів відповідно до їх походження і біологічної схожості. Систематика займається всебічним описом видів організмів, з'ясуванням родинних зв’язків між ними та об'єднанням їх у класифікаційні одиниці - таксони. Основні питання, які вирішують під час систематики (три аспекти, три кити систематики), - класифікація, ідентифікація та номенклатура.

Класифікація - розподіл (об'єднання) організмів відповідно до їх загальних властивостей (схожими генотиповими та фенотиповими ознаками) по різних таксонах.

Таксономія - наука про методи і принципи розподілу (класифікації) організмів відповідно до їх ієрархії. Найчастіше використовують такі таксономічні одиниці (таксони) - штам, вид, рід. Їх об’єднують у більші таксони - родина, порядок, клас. Вид - сукупність мікроорганізмів, що мають загальне еволюційне походження, близький генотип (високу міру генетичної гомології, як правило більше 60%) і максимально близькі фенотипні характеристики. Велика кількість фенотипних ознак, які порівнюють, та принцип їх рівної значущості ускладнювало класифікацію. У процесі вивчення, ідентифікації та класифікації мікроорганізмів найчастіше вивчають такі (гено- і фенотипічні) характеристики:

1. Морфологічні - форма, величина, особливості взаєморозташування, структура.

2. Тенкторіальні - відношення до різних барвників (характер фарбування), перш за все до забарвлення за Грамом. За цією ознакою всі мікроорганізми поділяють на грампозитивні та грамнегативні. Морфологічні властивості та фарбування за Грамом дозволяють віднести мікроорганізми до великих таксонів - родини, роду.

3. Культуральні - характер збільшення мікроорганізмів на поживних середовищах.

4. Біохімічні - здатність розщеплювати різні субстрати (вуглеводи, білки і амінокислоти і ін.), утворювати у процесі життєдіяльності різні біохімічні продукти за рахунок активності різних ферментних систем і особливостей обміну речовин.

5. Антигенні - залежать переважно від хімічного складу та будови клітинної стінки, наявності джгутиків, капсули, їх розпізнають за здатністю макроорганізму (господаря) виробляти антитіла та інші форми імунної відповіді, виявляють в імунологічних реакціях.

6. Фізіологічні - способи вуглеводного (аутотрофи, гетеротрофи), азотного (аміноавтотрофи, аміногетеротрофи) та інших видів живлення, тип дихання (аероби, мікроаерофіли, факультативні анаероби, строгі анаероби).

7. Рухливість і типи руху.

8. Здатність до спороутворення, характер спор.

9. Чутливість до бактеріофагів, фаготипування.

10. Хімічний склад клітинних стінок.

11. Білковий спектр.

12. Чутливість до антибіотиків та інших лікарських препаратів.

13. Генотипічні (використання методів геносистематики).

В останні десятиліття для класифікації мікроорганізмів, окрім їх фенотипних характеристик, широко і ефективно використовують різні генетичні методи - рестрикційний аналіз, ДНК- гібридизація, ПЛР аналіз, сиквенс та ін. В основі більшості методів лежить принцип визначення ступеню гомології генетичного матеріалу (ДНК, РНК).

Ідентифікація. Основні фено- і генотипові характеристики, які використовують для класифікації мікроорганізмів та їх ідентифікації, тобто встановлення таксономічного положення, і перш за все, видової належності. Ідентифікацію здійснюють на основі вивчення фено- і генотипових характеристик інфекційного агента та порівняння їх із характеристиками відомих видів. У процесі такої роботи часто користуються еталонними штамами мікроорганізмів, стандартними антигенами та імунними сироватками до відомих прототипних мікроорганізмів.

Номенклатура - назва мікроорганізмів відповідно до міжнародних правил. Для позначення видів бактерій використовують бінарну латинську номенклатуру рід/вид, що складається із назви роду (пишеться із великої літери) і виду (з малої літери): Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.

У мікробіології часто використовують і багато інших термінів для характеристики мікроорганізмів, наприклад штам. Штам - будь-який конкретний зразок (ізолят) даного виду. Штами одного виду, які відрізняються за антигенними характеристиками, називають серотипами (сероваріантами - скорочено сероварами), за чутливістю до специфічних фагів - фаготипами, біохімічними властивостями - хемоварами, за біологічними властивостями- біоварами і так далі. Колонія - видима ізольована структура бактерій на твердих поживних середовищах. Вона може розвиватися з однієї або декількох батьківських клітин. Якщо колонія утворилася із однієї батьківської клітини, то потомство називається клоном. Культура - сукупність мікроорганізмів одного виду, які виросли на твердому або рідкому поживному середовищі. Основний принцип мікробіологічної роботи - виділення і вивчення властивостей лише чистих (однорідних, без сторонньої мікрофлори) культур.

Прокаріоти відрізняються від еукаріот за такими ознаками.

1. Відсутність справжнього диференційованого ядра (ядерної мембрани).

2. Відсутність розвиненої ендоплазматичної сітки, апарату Гольджі.

3. Відсутність мітохондрій, хлоропластів, лізосом.

4. Нездатність до ендоцитозу (захвату часток їжі).

5.Клітинний поділ не пов'язаний із циклічними змінами будови клітини.

За формою виділяють такі основні групи мікроорганізмів.

1. Шароподібні або коки.

2. Палочковидні.

3. Звивисті.

4. Ниткоподібні.

Кокоподібні бактерії (коки) за характером розташування клітин після поділу поділяють на ряд варіантів.

1. Мікрококи. Клітини розміщенні поодинці. Вони входять до складу

нормальної мікрофлори кишечника, знаходяться у зовнішньому середовищі. Захворювань у людей не викликають.

2. Диплококи. Поділ цих мікроорганізмів відбувається в одній площині, і як результат, утворюються пари клітин. Серед диплококів багато патогенних мікроорганізмов - гонокок, менінгокок, пневмокок.

3. Стрептококи. Поділ здійснюється в одній площині, і клітини, які розмножуються, зберігають зв'язок (не розходяться), утворюючи ланцюжки. Серед них багато патогенних мікроорганізмів - збудники ангіни, скарлатини, гнійних запальних процесів.

4. Тетракоки. Поділ відбувається у двох взаємоперпендикулярних площинах із утворенням тетрад (по чотири клітини). Медичного значення не мають.

5. Сарцини. Поділ відбувається у трьох взаємоперпендикулярних площинах, утворюючи пакунки (пакети) з 8, 16 і більшої кількості клітин. Їх часто виявляють у повітрі.

6. Стафілококи. Діляться безладно у різних площинах, утворюючи скупчення, що нагадують грона винограду. Викликають численні хвороби, перш за все, гнійно- запальні.

Палочковидні форми мікроорганізмів.

1. Бацили - аеробні спорооутворюючі мікроби. Діаметр спори зазвичай не перевищує розміру (“ширина”) клітини (ендоспори).

2. Клострідії - анаеробні спороутворюючі мікроби. Діаметр спори більший за ширину вегетативної клітини, у зв'язку з чим, клітина нагадує веретено або тенісну ракетку. Необхідно мати на увазі, що термін “бактерія” часто використовують для позначення усіх мікробів- прокаріот. У вужчому (морфологічному) значенні бактерії - палочковидні форми прокаріот, що не мають спор.

Звивисті форми мікроорганізмів.

1. Вібріони і кампілобактерії - мають один вигин, можуть бути у формі коми, короткого завитка.

2. Спірили - мають 2 - 3 завитка.

3. Спірохети - мають різну кількість завитків, аксостиль - сукупність фібрил, специфічний для різних представників характер руху і особливості будови (особливо кінцевих ділянок). З великої кількості спірохет найбільше медичне значення мають представники трьох родів - Borrelia, Treponema, Leptospira.

Обов'язковими органоїдами клітин бактерій є ядерний апарат, цитоплазма, цитоплазматична мембрана, клітинна стінка. Необов'язковими (другорядними) структурними елементами є: капсула, спори, пілі, джгутики.

1. По центру бактеріальної клітини знаходиться нуклеоід - представлений всього однією хромосомою кільцеподібної форми. Складається із дволанцюжкової нитки ДНК. Нуклеоїд не відокремлений від цитоплазми ядерною мембраною.

2. Цитоплазма - складна колоїдна система, що містить різні включення метаболічного походження (зерна волютина, глікогену, гранульози та ін.), рибосоми та інші елементи білоксинтезуючої системи, плазміди, мезосоми. Останні утворюються у результаті інвагінації цитоплазматичної мембрани у цитоплазму, вони беруть участь в енергетичному обміні, спороутворенні, формуванні міжклітинної перегородки при діленні клітини.

3. Цитоплазматична мембрана обмежує із зовнішнього боку цитоплазму, має тришарову будову і виконує багато функцій:

- бар'єрну (створює і підтримує осмотичний тиск);

- енергетичну (містить багато ферментних систем - дихальні, окислювально- відновні, здійснює перенесення електронів);

- транспортну (перенесення різних речовин у клітину та із неї).

4. Клітинна стінка - властива більшості бактерій (окрім мікоплазм, ахолеплазм і деяких інших, що не мають дійсної клітинної стінки мікроорганізмів). Вона виконує багато функцій, і перш за все, забезпечує механічний захист та постійну форму клітин. З нею пов'язані антигенні властивості бактерій. Основна хімічна сполука клітинної стінки, яка характерна лише для бактерій - пептидоглікан (муреїнові кислоти). Від структури і хімічного складу клітинної стінки бактерій залежить важлива для систематики ознака бактерий - відношення до забарвлення за Грамом. Відповідно до нього виділяють дві великі групи бактерій - грампозитивні (“грам+”) і грамнегативні (“грам - “). Стінка грампозитивних бактерій після забарвлення за Грамом зберігає комплекс йоду із генціановим фіолетовим (забарвлені в фіолетовий колір), грамнегативні бактерії втрачають цей комплекс і відповідний колір після обробки та забарвленя - рожевий за рахунок дофарбовування фуксином.

Особливості клітинної стінки грампозитивних бактерій - аморфна, товста, нескладно організована, у її складі переважають пептидоглікан та тейхоєві кислоти, немає ліпополісахаридів, часто відсутня діамінопімелінова кислота.

Особливості клітинної стінки грамнегативних бактерій - значно тонша, ніж у грампозитивних бактерій, обов’язково містить ліпополісахариди, ліпопротеїни, фосфоліпіди, діамінопімелінові кислоти, має і складнішу будову. Має зовнішню мембрану, тому вона тришарова. При обробці грампозитивних бактерій ферментами, які руйнують пептидоглікан, виникають повністю позбавлені клітинної стінки структури - протопласти. Обробка грамнегативних бактерій лізоцимом руйнує лише шар пептидоглікана, не змінюючи зовнішньої мембрани; такі структури називають сферопластами. Протопласти і сферопласти мають сферичну форму (ця властивість пов'язана з осмотичним тиском і характерна для всіх безклітинних форм бактерій).

До поверхневих структур бактерій відносять капсулу, джгутики, мікроворсинки.

Капсула або слизистий шар, який оточує оболонку багатьох бактерій. Розрізняють мікрокапсулу, яка помітна при електронній мікроскопії у вигляді шару мікрофібрил, і макрокапсулу, що виявляється при світловій мікроскопії. Капсула є захисною структурою, яка захищає бактеріальну клітину, у першу чергу, від висихання, у ряді мікробів - чинником патогенності, перешкоджає фагоцитозу, інгібірує перші етапи захисних реакцій - розпізнавання та поглинання. У сапрофітів капсули утворюються у зовнішньому середовищі, у патогенів - у організмі господаря. Залежно від хімічного складу капсул розрізняють різні методи їх виявлення (на основі забарвлення).

Джгутики. Рух бактерії може бути різним: бактерії можуть ковзати, пересуваючись по твердій поверхні в результаті хвилеподібних скорочень клітин, або «плавати», тобто пересуватися за рахунок ниткоподібних спіральний зігнутих білкових утворів - джгутиків.

По розташуванню та кількості джгутиків виділяють такі форми бактерій.

1. Монотріхи- мають один полярний джгутик.

2. Лофотріхи- мають полярно розташований пучок джгутиків.

3. Амфітріхи- мають джгутики, які розміщені на протилежних полюсах клітини.

4. Перітріхи- мають джгутики по всьому периметру бактеріальної клітини.

Здатність до цілеспрямованого руху (хемотаксис, аэротаксис, фототаксис) у бактерій генетично детермінована.

Фімбрії або війки - короткі нитки, які у великій кількості покривають бактеріальну клітину. За допомогою них бактерії прикріплюються до субстратів (наприклад, до поверхні слизових оболонок). Таким чином, фімбрії є факторами адгезії і колонізації.

Спороутворення - спосіб збереження певних видів бактерій у несприятливих умовах середовища. Ендоспори утворюються у цитоплазмі. У природі є клітини з низькою метаболічною активністю та високою стійкістю (резистентністю) до висушування, дії хімічних чинників, високої температури і інших несприятливих чинників довкілля. При світловій мікроскопії часто використовують метод виявлення спор за Ожешко. Висока резистентність пов'язана із великим вмістом кальцієвої солі дипіколінової кислоти в оболонці спор. Розташування і розміри спор у різних мікроорганізмів відрізняється, що має дифференціально- діагностичне (таксономічне) значення. Основні фази “життєвого циклу” спор - споруляція (включає підготовчу стадію, стадію передспори, утворення оболонки, дозрівання та спокою) і проростання, яке закінчується утворенням вегетативної форми. Процес спороутворення генетично обумовлений.