Микробиология Формирование микробиологии как науки. Предмет и задачи. Систематика микроорганизмов.
• Древние философы ломали голову над тем, сколько ангелов может уместиться на кончике иглы. Мало кто из них представлял тогда, что есть живые существа, настолько малые, что на этом кончике может разместиться несколько их сотен. • Отто Ран (1945)
Микробиология - наука об организмах, которые слишком малы, чтобы разглядеть невооруженным глазом, поэтому были названы микроорганизмами. Особенности микроорганизмов • малая величина • большая интенсивность метаболизма (большую соотношение поверхности к объему, позволяющее большую интенсивность обмена веществ) • пластичность метаболизма – индуцибильных ферментов до 10%.
Формы жизни
Совершенствование микроскопической техники: 1821 – ахроматический микроскоп (Д. Б. Амичи) 1876 -1877 микрофотографии в водной иммерсии (Р. Кох) 1878 - масляно-иммерсионные линзы (Э. Аббе, К. Цейс) 1919 - ультрафиолетовый микроскоп (Ю. Е. Барнард) 1935 - фазово-контрастный микроскоп (Ф. Цернике) 1934 – электронный микроскоп (Л. Мартон, Э. Руска)
В 1860 г. Парижская Академия изложила программу и учредила премию по изучению вопроса о так называемом спонтанном зарождении. Луи Пастер (182 -1895), -опыты по изучению брожения
Микроорганизмы - возбудители инфекционных заболеваний. • Инфекция (инфекционный процесс) – процесс приобретения нового микроорганизма, размножающегося в организме хозяина (A. Casadevall L. и A. Pirofski, 2000) Патогенность – способность вызывать болезнь. Вирулентность – степень патогенности
Основные этапы инфекционного процесса • 1. Адгезия микроорганизмов к эпителию хозяина • 2. Инвазия микроорганизмов во внутренние среды организма • 3. Пролиферация микроорганизмов Во внутренней среде организма хозяина.
Исходы инфекционного процесса • Комменсализм – состояние, при котором сохранение микроба в • • организме хозяина не сопровождается повреждением последнего, однако отмечается активация систем специфической и неспецифической резистентности Симбиоз (мутуализм) – микроб и хозяин получают адаптивные преимущества Инфекционная болезнь – клинические проявления повреждений макроорганизма, возникающих в результате взаимодействий хозяин – паразит Персистенция – состояние, при котором факторы резистентности хозяина не обеспечивают элиминацию (выведение) микроорганизма, сопровождающееся длительным, но незначительным повреждением, в зависимости от баланса взаимодействия хозяин –паразит может эволюционировать в инфекционную болезнь Колонизация – состояние, развивающееся вслед за приобретением хозяином нового микроорганизма, характеризуется динамичностью и неустойчивостью взаимоотношений хозяин – паразит
Основные отличия прокариотической и эукариотической клеток Прокариоты Ядро Наследственная информация Внутриклеточные мембраны Рибосомы Клеточная стенка Ядро Эукариоты - + Кольцевая ДНК, плазмиды (могут отсутстствовать) - Линейная ДНК, наличие гистонов 70 S 80 S + - Прокариоты Эукариоты +
Грибы – гетеротрофные организмы, отличающиеся слабодифференцированными тканями, клеточным строением (по крайней мере на определенной стадии жизни), а также спорами как покоящимися и служащими для распространения структурами • Для грибов характерно наличие мицелия – особой ткани, состоящей из гифов. К так называемым несовершенным грибам относят дрожжеподобные грибки, которые по своим размерам относят.
• Вирусы - размеры 7 -8 х 300 -350 нм, фильтруемые через бактериальные фильтры, облигатный паразитизм, т. е. способность жить и размножаться только внутри клетки. Геномные паразиты. • Вирион состоит из молекулы нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), которая защищена слоем молекулы белка. Некоторые имеют внешнюю оболочку, в состав которой входят белки, липиды, полисахариды. Размножение виручов проходит только внутриклеточно. • Вирус адсорбируется на поверхности клетки Вирус захватывается клеткой, лишается внешних оболочек. Освободившаяся нуклеиновая кислота вызывает в клетке ряд процессов, приводящих к раздельному синтезу вирусной нуклеиновой кислоты и вирусного белка, из которых затем формируются вирионы. • • Прионы – белки, способные вызвать инфекции медленного типа • Пример: скрепи у овец, губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота
• Строение бактериальной клетки. Классификация бактерий по морфологическим признакам.
Формы бактерий • Кокки – шаровидные бактерии могут быть вытянутыми и сплющенными. После деления нередко остаются соединенными. • Диплококки – деление происходило в одной плоскости и образовавшиеся особи остались соединенными (пр. пневмококки, гонококки) • Стрептококки – деление кокков в одном направлении • Тетракокки – деление в двух взаимноперпендикуллярных направлениях • Сарцины – деление в трех взаимноперпендикулярных плоскостях, образование 8 -16 клеток • Стафилококки – гроздевые кокки образуются при беспорядочном делении клеток • Палочковидные бактерии – различаются формой концов клеток: • Закругленные, заостренные, обрубленные
• Вибрионы – слгка изогнутые палочки • Палочки размножаются поперечным делением и обычно разъединяются, у некоторых остаются соединенными по две или цепочки • Спириллы – извитые бактерии в виде спирали • Спирохеты – тонкие извитые нити, обладающие подвижностью. Имеют специфическую структуру - вокруг тонкой осевой эластичной нити , состоящей из отдельных фибрилл, навита лента цитоплазмы, образуя первичные завитки. • Актиномицеты – хорошо разветвленный мицелий. Размножение спорами или мицелием • Риккетсии – (0, 2 -0, 3 х 40 мкм) по морфологии близки к бактериям, но являются строгими внутриклеточными паразитами. • Микоплазмы – (125 -250 нм), очень мелкие, полиморфные. Отсутствует регидная клеточная стенка, существует ограничительная мембрана. Имеют вид сферических тел, бус или нитевидных ветвистых форм.
Строение бактерий при продольном срезе • Грамположительные бактерии: • Цитоплазматическая мембрана, представляющая собой липидный бислой • Многослойный пептидогликан - каркасная структура - параллельные цепи молекул аминосахаров, связанные поперечными сшивками пептидной природы • Слой тейхоевых кислот (липотейхоевых, тейхуроновых) • Аморфная полисахаридная капсула крахмалоподобной природы •
Строение бактерий при продольном срезе • Грамотрицательные бактерии: • Цитоплазматическая мембрана, представляющая собой липидный бислой • Однослойный пептидогликан • Внешная мембрана. По химической природе является липополисахаридом (ЛПС-биологический полимер, состоящий из липидного фрагмента и полисахаридной цепи). ЛПС слой непроницаем для гидрофильных веществ, их транспорт осуществляется через пориновые каналы Порины – каналы, заполненные водой, пропускающие гидрофильные низкомолекулярные соединения
Внутреннее строение бактерий • • • • Цитоплазма Рибосомы Нуклеиновые кислоты Плазмиды Дополнительные структуры Капсулы и слизь, Капсула Жгутики Фибрии Запасные вещества Газовые вакуоли Эндоспоры Пигменты:
Экология микроорганизмов. • повсеместное распространение микроорганизмов, обусловленное – малыми размерами, позволяющими легко переносится с потоками воды и воздуха, – разнообразием и гибкостью метаболизма, – устойчивостью к неблагоприятным факторам. • преимущественно химическое взаимодействие со средой обитания • первичность в истории биосферы (более ¾ истории биосфера была бактериосферой, представленной прокариотами) • прокариоты представляют собой практически автономную систему блока биосферы.
Физико-химические факторы, воздействующие на бактерий: • • • магнитные, электрические поля солнечная активность излучения гидростатическое давление температура кислотность (р. Н среды) окислительно-восстановительный потенциал концентрация кислорода питательные вещества токсические соединения и др.
Отношение к температуре • Мезофилы – рост при умеренных температурах (20 -500 С), т. е оптимум близок к температуре тела теплокровных животных, максимальная температура близка к максимальному нагреву почвы. • Термофилы – рост при температуре выше 500 С, выделяют крайних термофилов, для которых оптимум 80 -1050 С • Психрофилы – холодолюбивые, рост при температуре ниже 200 С (оптимум ниже 150 С) • Психроактивные (психротрофные) – имеют более высокий оптимум (25 -300 С), они приспособлены к сезонным изменениям климата.
• • Кислотность среды Воздействие на электрический заряд клетки, состояние мембраны, окислительно-восстановительные реакции Определяет ионное состояние металлов, кислот, их доступность и токсичность Классификация Нейтрофилы – развиваются при значениях р. Н, близком к нейтральному (р. Н 6 -8). Большинство природных мест обитаний имеют нейтральную среду. Ацидофилы растут в кислой среде - р. Н < 6 (молочнокислые, уксуснокислые бактерии, многие грибы) Облигатные – Факультативные (ацидотолерантные), способные расти в нейтральной среде. Алкалифилы предпочитают р. Н 8, 5 и выше – Облигатные – Факультативные, способные расти в нейтральной среде
Активность воды и соленость • Важной характеристикой местообитания микроорганизмов является доступность воды. • Причины снижение активности воды (повышение осмотического давления) • Концентрация солей • Классификация: • Пресноводные (негалофильные), развивающиеся при содержании соли < 0, 01% и чувствительные к 3% концентрации хлорида натрия. • Галотолерантные – выдерживают более высокие концентрации • Галофилы - обычно микроорганизмы –обитатели морей – Умеренные галлофилы (5 -15% соли) – Экстремальные галлофилы (12 -15% соли)
• Высокое содержание органических веществ. Микроорганизмы, способные размножаться в таких условиях называют осмофилами (например, мицелиальные грибы и дрожжи, обитающие в варенье, сиропах) • Высыхание. • Механизмы защиты от высыхания • образование капсул и переживающих клеток (спор, конидий, цист) • содержание липидов в клеточной стенке
Редокс-потенциал и кислород • Микроорганизмы используют энергию окислительновосстановительных реакций, в результате происходит изменение окислительно-восстановительного потенциала среды. Основными восстановителями в природе являются водород и сероводород, главным окислителем – продукт оксигенных фототрофов, молекулярный кислород. • Значение кислорода для микроорганизмов • Фактор, определяющий окислительно-восстановительный потенциал и протекание химических реакций • Катаболитический субстрат • Акцептор электронов для аэробных микроорганизмов
Классификация • Аэробы – используют кислород как акцептор электронов при дыхании, обитают в хорошо аэрируемых биотопах (в воздухе, сухой почве, поверхности кожи и др. ) • Микроаэрофилы – нуждаются в низкой концентрации кислорода (0, 01 -0, 03 бар) и часто обладают высоким сродством к нему, что позволяет им развиваться в зонах пониженного содержания кислорода. • Факультативные анаэробы - микроорганизмы способные переключаться с аэробного дыхания на анаэробные процесс, например, с дыхания на брожение. К факультативным микроорганизмам относят дрожжи, энтробактерии, денитрификаторы, некоторые фототрофы.
Облигатные анаэробы чувствительны к токсическому воздействию кислорода. Процессы получения энергии у низх связаны с брожением или восствановлением неорганических акцепторов электронов. . Аэротолерантные анаэробы могут расти в присутствии некотого количества кислорода, не изменяя при этом анаэробный тип метаболизма. Например брожение у молочно-кислых стрептококков, получающие энергию путем брожения Защита от токсического действия высокореакционных форм кислорода: атомарного кислорода, не полностью восстановленных соединений (радикала гидроксила, перикиси водорода, супероксидного радикала). Антиоксиданты (каратиноиды). Реакция катализируется ферментами супероксиддисмутазой, пероксидазой, каталазой. Подобные механизмы обнаружены и у аэробов и у анаэробов
Свет • Способы адаптации • Оптимальное положение с использованием фототаксиса • Изменение в зависимости от интенсивности освещенности содержания фотосинтезирующих пигментов, количества тилакоидов, площади мембран • Приспособление к суточным и сезонным ритмам • Приспособление к коротковолновому излучению, оказывающему антимикробное действие.
Концентрация питательных веществ • Усвоение питательных веществ: • В первую очередь микроорганизмы используют легко утилизируемые органические вещества (сахара, аминокислоты) • Разложение полимерных соединений для образования легко доступных субстратов • Некоторые группы микроорганизмов способны использовать целлюлозу, лигнин и нерастворимые белки животного происхождения (кератин, коллаген), разложение происходит очень медленно – десятки, сотни, тысячи лет. Скорость распада полмеров служит лимитирующим фактором в разложении биомассы. • Классификация по отношению к субстрату: • Копиотрофы, организмы-колонизаторы, растущие при высокой концентрации питательных веществ • Олиготрофы – медленно растущие формы, использующие питательные вещества в очень низких концентрациях.
Местоположение • • Иммобилизованное состояние Биопленки, образуя погруженные в слизь микроколонии Наросты на твердых субстратах. Взвешенное состояние – одиночные клетки.
Дифференциация и переживание неблагоприятных состояний • Образование спор • Некультивируемое состояние – потеря способности прорастать на питательных средах
Биотические связи с участием микроорганизмов • Антибиоз (конкуренция)– невозможность существования двух видов организмов, основанная на конкуренции, прежде всего за счет источников питания, а также др. факторов внешней среды. • Антагонизм – активная конкуренция, если один вид задерживает или полностью подавляет рост другого (возможна форма – взаимный антагонизм) • Аменсализм – подавление роста не получая от этого выгоды. • Вещества, подавляющие рост других микроорганизмов: органические кислоты, щелочи, спирты, гидролазы, антибиотики • Хищничество – использование одной группы организмов в качестве пищи для другой • Нейтрализм – отсутствие взаимного влияния
• Симбиозы – различные формы совместного существования организмов. • По обязательности связи • Факультативные • Облигатные • По расположению микросимбионта по отношению к макросимбионту • Эктосимбиозы • Эндосимбиозы • По характеру отношений • Мутуализм – существование обоих или одного из симбионтов невозможно без партнеров • Комменсализм – форма существования, приносящая пользу одному из партнеров и безразличная для другого • Паразитизм – один вид использует другой как источник питания и среду обитания, нанося при этом вред хозяину
• Физиология бактерий. Химический состав, метаболизм, классификация по типам метаболизма.
• Метаболизм – сумма биологических реакций для образования энергии. • Микроорганизмы способны использовать любой субстрат, содержащий энергию. • Метаболизм = анаболизм (синтез) + катаболизм (распад) • Вещества, образующиеся при анаболизме – анаболиты • Вещества, образующиеся при катаболизме – катаболиты • Промежуточные вещества анаболизма и катаболизма - амфиболиты •
Особенности метаболизма бактерий: • очень высокая интенсивность • большое количество индуцибильных ферментов, т. е. ферментов, которые начинают синтезироваться клеткой в присутствии субстрата • • Катаболитические пути сходятся, образуя небольшое число конечных продуктов • Биосинтетические пути расходятся , образуя много различных продуктов
Поступление питательных веществ в клетку • Диффузия • Пассивная – за счет различий градиента концентрации • Облегченная – специальные белки пермиазы связывают субстрат и обеспечивают его проникновение, внутри клетки комплекс диссоциирует, при этом энергия не затрачивается • Активный транспорт – транспорт с затратой энергии против градиента концентрации
Потребности в химических элементах • Необходимые компоненты: • Вода • Макроэлементы: углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо • Микроэлементы: марганец, молибден, цинк, медь, кобальт, азот, ванадий, бор, хлор, натрий, селен, кремний, вольфрам • Факторы роста: аминокислоты, пурин, пиримидин, витамины (биотин, тиамин, 4 -аминобензоат, пантотенат, пиридоксамин, цианкомбаномин)
Типы микробного метаболизма Источник углерода Способ получения энергии Конверсия света Окисление органического вещества Окисление неорганических веществ СО 2 Фотоавтотрофы (зеленые, пурпурные, цианобактерии) Хемоорганоавтотро фы (сульфатвосстанавли вающие) Органические вещества Фотогеротрофы Пример: пурпурные Хемоорганогетеротроф ы большинство бактерий, в т. ч. микрофлоры человека Хемолитоавтотроф Хемолитогетеротрофы ы (миксотрофное питание H 2 в H 2 О Fe 2+ в Fe 3+
Ферментативная активность бактерий • Химическая деятельность бактерий определяется наличием ферментов, веществ катализирующих химические реакции, проходящие в микробной клетке. • Особенности ферментативного катализа. • Реакция проходит в несколько стадий при этом образуются промежуточные соединения и выделяется стадийная энергия • Реакция протекает при естественных значениях температуры, р. Н среды и давлении • Действие ферментов высоко специфично • В ходе реакции происходят кооперативные изменения субстрата и фермента • • Каждый вид характеризуется определенным набором ферментов, что определяет их биологические свойства. •
• • • Регуляция метаболизма. Ферменты Конститутивные – не зависящие от условий Индуцибильные – зависящие от условий. Образование катаболитических ферментов происходит путем индукции (при наличии субстрата) • Образование анаболитических ерментов – путем репрессии (при наличии конечного продукта. • При ингибировании конечным продуктом происходит подавление активности фермента
Генетика микроорганизмов. Рост и размножение микроорганизмов. Генетический материал бактерий • Одна кольцевая хромосома • Внехромосомные молекулы ДНК • Плазмиды, несущие 40 -50 генов • Мобильные элементы (плазмидные или хромосомные)
Рост бактерия в периодической культуре • При снижения количества компонента, содержащегося в минимальных количествах в питательной среде прекращается рост микроорганизмов. Для периодической культуры характерна кривая роста, имеющая определенные фазы роста • 1 фаза – лаг-фаза. После инокуляции необходим синтез новых ферментов, если условия отличны от первоначальных, если микроорганизм помещен в аналогичные условия – то синтез дополнительного количества белка. • 2 фаза – экспоненциальная – размножение микроорганизмов в геометрической прогрессии. • 3 фаза – стационарная фаза – наступает из-за нехватки питательных веществ, увеличения плотности микроорганизмов, низкого парциального давления • 4 фаза – фаза отмирания происходит при накоплении в среде кислых продуктов (например, при метаболизме энтеробактерий, лактобактерий), аутолизис •
Постоянство, изменение, передача признаков. • Мутации – скачкообразное изменение наследственного признака. • Спонтанные мутации. Частота мутаций составляет 106 – 107 , а доля измененных клеток -10 -4 – 10 -11 и зависит от условий и возраста клеток. Обратные мутации происходят в 10 раз реже чем прямые мутации.
Скачать презентацию Микробиология Формирование микробиологии как науки. Предмет и задачи.
микробиологии.ppt