Микробиология Литература n n 1. Лукомская К.

Микробиология

Литература n n 1. Лукомская К. А. Микробиология с основами вирусологии, 1987. 2. Гусев М. В. , Минеева Л. А. Микробиология, 2003

n n n Лекция 1 План лекции 1. Краткий исторический очерк. 2. Систематическое положение микроорганизмов в системе органического мира. 3. Формы и размеры микроорганизмов. 4. Роль микроорганизмов в природе и жизни человека. 5. Структура и функции прокариотной клетки. 3

Микробиология –наука, изучающая строение, систематику, физиологию, биохимию, генетику и экологию организмов, имеющих малые размеры и невидимых невооруженным глазом 4

Антони ван Левенгук Antony van Leeuwenhoek, (1632– 1723) В 1676 г. впервые увидел бактерии в капле воды. 5

Научная деятельность Луи Пастера (Louis Pasteur, 1822– 1895) n n n 1857 – «Брожения» . 1860 – «Самопроизвольное зарождение» . 1865 – «Болезни вина и пива» . 1868 – «Болезни шелковичных червей» . 1881 – «Зараза и вакцина» . 1885 – «Предохранение от бешенства» . 6

Роберт Кох (R. Koch, 1843– 1910) – немецкий врач, микробиолог, один из основоположников медицинской микробиологии. Занимался изучением возбудителей инфекционных заболеваний. 7

Научные достижения Р. Коха n n n Метод получения чистых культур микроорганизмов. Методы окраски бактериальных препаратов. 1877 г. – опубликовал работу о возбудителе сибирской язвы Bacillus anthracis. 1882 г. – открыл возбудителя туберкулеза ( «палочка Коха» ). 1883 г. – открыл возбудителя холеры Vibrio cholerae. 1905 г. – Нобелевская премия за исследование туберкулеза. 8

Ценковский Лев Семенович (1822– 1887) – родоначальник русской микробиологии. n n n Открыл и описал большое число простейших. Организовал одну из первых Пастеровских станций в России. В 1883 г. предложил вакцину против сибирской язвы. 9

Мечников Илья Ильич (1845– 1916) – основоположник медицинской микробиологии в России n n n 1883 г. – создал фагоцитарную теорию иммунитета. в 1888 г. работал в институте Пастера. 1909 г. – получил Нобелевскую премию за исследования по фагоцитозу (вместе с Паулем Эрлихом). 10

Виноградский Сергей Николаевич (1856– 1953), основатель экологической микробиологии. n n Предложил создавать элективные условия для выделения микроорганизмов. Открыл процесс фиксации азота. 1893 г. – выделил из почвы анаэробный азотфиксатор Clostridium pasteurianum. Открыл хемосинтез у бактерий. 11

2. Систематическое положение микроорганизмов в системе органического мира 3 надцарства: Н/ц Вирусы Прокариоты Эукариоты (безядерные) (ядерные) Царства ц. Настоящие ц. Растения бактерии ц. Архебактерии ц. Грибы ц. Актиномицеты ц. Животные ц. Цианобактерии

3. Формы и размеры микроорганизмов 1 метр=103 мм (миллиметров) = 106 мкм (микрометров или микрон) = 109 нм (нанометров или ммк (миллимикрон)) = 1010 А 0 (ангстрем) Большинство бактерий имеют размер: Палочки - 1*5 мкм; кокки = 0, 5 мкм в диаметре.

Форма – видовой признак Кокки 1. Микрококки 2. Диплококки 3. Стрептококки (цепочки) 4. Стафилококки (виноградная гроздь) 5. Сарцинококки (пакет 4 -8 особей) Палочки различно изогнутые: 1. Палочки 2. Вибрионы Извитые 1. Спирилла от 4 до 6 витков 2. Спирохеты от 6 до 15 витков

Отрасли микробиологии n n n n n Общая микробиология. Водная микробиология. Почвенная микробиология. Медицинская, ветеринарная микробиология: вирусология; иммунология; санитарная микробиология. Сельскохозяйственная микробиология. Космическая микробиология. Геологическая микробиология. Генетика микроорганизмов. Промышленная микробиология (биотехнология). 15

5. Строение бактериальной клетки 16

Основные компоненты прокариотной клетки n n n Клеточная стенка – важный структурный элемент прокариотов. Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком. По строению клеточной стенки прокариоты подразделяются: n на грамположительные; n грамотрицательные. 17

18

Клеточная стенка грамположительных бактерий www. unb. br 20

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий 21

Функции клеточной стенки Пептидогликан: n Поддержание внешней формы клетки. n Защита от воздействий окружающей среды. n Защита от внутреннего осмотического давления. Наружная мембрана: n Транспорт веществ и ионов, необходимых клетке. n Препятствует проникновению в клетку токсических веществ и антибиотиков. Периплазматическое пространство: n Содержит транспортные белки и гидролитические ферменты. Липополисахариды и другие макромолекулы: n Специфические рецепторы и антигены. n Обеспечивают межклеточные взаимодействия. 22

Цитоплазматическая мембрана ЦПМ – обязательный структурный элемент любой клетки. n На долю ЦПМ приходится 8– 15 % сухого вещества клеток. По химическому составу ЦПМ – белковолипидный комплекс: n белки – от 50 до 75 %, n липиды – от 15 до 45 %. n углеводы – около 5 % 23

Модель строения элементарной биологической мембраны Молекулы белков: 3 – периферическая; 4 – интегральная; 5 – поверхностная 24

Функции ЦПМ прокариот n n n Барьерная; ферментная; энергетическая; участие в репликации; интегрирующая роль в организме; транспортная. 25

Мембранные инвагинации Мезосомы – локальные впячивания ЦПМ: n ламеллярные; n везикулярные; n тубулярные. template. bio. warwick. ac. uk 26

n n Карбоксисомы – содержат фермент фиксации СО 2 – рибулозодифосфаткарбоксилазу. Газовые вакуоли (аэросомы) – являются регуляторами плавучести бактерий. • Магнитосомы – частицы Fe 3 O 4, окруженные мембраной. 27

Цитоплазма и ее содержимое n Цитозоль – фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию. Цитозоль содержит: n n ферментные белки; n n набор растворимых РНК; продукты и субстраты метаболизма. Структурные элементы: n внутрицитоплазматические мембраны; n генетический аппарат; n рибосомы; n включения. 28

n n n Рибосомы – рибонуклеопротеиновые частицы. Размер – 15– 20 нм. Количество – от 5000 до 90 000. Функция – синтез белка. Полирибосомы (полисомы) – состоят из рибосом, и-РНК, т-РНК. 29

Запасные вещества прокариот n n n n полисахариды; углеводородные гранулы; липиды; поли- -оксимасляная кислота; полифосфаты; сера; карбонат кальция (известковые тельца); кристаллоподобные (параспоральные тельца). 30

Генетический аппарат прокариот ДНК прокариот – «нуклеоид» или «бактериальная хромосома» • Длина молекулы – 1 мм и более. • Диаметр нитей ДНК – около 2 нм. • Молекулярная масса – 1– 3 × 109 Да. 31

Временные структуры клетки n n Капсулы – аморфные слизистые образования. Состоят из полисахаридов. Сохраняют связь с клеточной стенкой. Слизистые слои – легко отделяются от поверхности клетки. Бактерии рода Thiocapsa 32

n Чехлы – имеют тонкую структуру, часто многослойные. Бактерии рода Leptothrix Чехлы могут быть инкрустированы окислами металлов. Бактерии рода Sphaerotilus 33

Функции капсул и чехлов n n n защита от механических повреждений и высыхания; дополнительный осмотический барьер; препятствие для проникновения фагов; источник запасных питательных веществ; связь между соседними клетками; прикрепление клеток к различным поверхностям. 34

Жгутики и механизмы движения Размеры: • толщина 10– 20 нм, • длина 3– 15 мкм. Расположение: 1 – полярное; 2 – латеральное. Количество: – монополярный монотрих; – монополярный политрих; – биполярный монотрих; – биполярный политрих; - лофотрих; – перитрих. 35

Escherichia Аquaspirillum Spirillum Helicobacter 36

Строение жгутика грамотрицательных бактерий Б В А – нить; Б – крюк; В – базальное тело А 1 – стержень; 2 – M-кольцо; 3 – S-кольцо; 4 – P-кольцо; 5 – L-кольцо; 6 – ЦПМ; 7 – периплазматическое пространство; 8 – пептидогликан; 9 – наружная мембрана 37

Таксис – направленное перемещение бактерий. Хемотаксис – движение относительно источника химического вещества. n n n Аэротаксис – движение относительно концентрации кислорода. Фототаксис – движение к свету или от него. Магнитотаксис – способность перемещаться по силовым линиям магнитного поля. Термотаксис – движение относительно источника тепла. Вискозитаксис – способность реагировать на изменение вязкости раствора. 38

Ворсинки (фимбрии, пили) – поверхностные структуры клетки. n n n Состоят из белка – пилина. Диаметр – 5– 10 нм, длина – 0, 2– 2, 0 мкм. Расположение – перитрихиальное или полярное. Функции: n n n придают свойство гидрофобности; обеспечивают прикрепление к поверхностям; участвуют в транспорте метаболитов; способствуют проникновению вирусов в клетку; участвуют в конъюгации бактерий (F-пили). 39

Процесс конъюгации бактерий n n F-пили необходимы клетке-донору для обеспечения контакта между ней и реципиентом. По конъюгационному тоннелю происходит передача ДНК. 40

Эндоспоры бактерий n n n Образование эндоспор происходит только в мире прокариот. Все спорообразующие бактерии – грамположительные. Эндоспоры формируются внутри материнской клетки. Clostridium 41

Эндоспоры обладают специфическими структурами: n n внутренняя мембрана; кортекс; наружная мембрана; многослойные белковые покровы. Bacillus 42

Этапы образования эндоспор n n n 1 этап - подготовительный. Клетка содержит два или более нуклеоидов, один из которых локализуется в спорогенной зоне, второй остается в цитоплазме спорангия. II этап - формирование споры. Цитоплазматическая мембрана вегетативной клетки образует впячивание (инвагинацию) от периферии к центру и отделяет спорогенную зону (нуклеоид с участком уплотненной цитоплазмы) перегородкой от остального содержимого клетки, а затем полностью обрастает эту зону, завершая образование проспоры. III этап - созревание споры. Спора приобретает характерную форму и занимает определенное положение в клетке. По мере созревания споры спорангий лизируется и спора освобождается.

Формирование эндоспоры (Гусев, Минеева, 2001) 1 – нуклеоид; 2 – цитоплазма; 3 – ЦПМ; 4 – клеточная стенка; 5 – споровая перегородка; 6 – наружная мембрана; 7 – внутренняя мембрана; 8 – кортекс; 9 – покровы 44

Лекция № 2 Принципы систематики прокариотов

Таксономические категории n n Вид – основная таксономическая категория. Виды объединяют в таксоны более высокого порядка. Штамм – бактериальные культуры одного вида, выделенные из разных мест обитания. Клон – культура, выделенная из одной клетки. 1948 г. – был разработан «Международный кодекс номенклатуры бактерий» . 46

2 типа систематики биологических объектов Филогенетическая – естественная, в основе которой лежит установление родственных связей между организмами. Практическая – искусственная, цель которой – выявление степени сходства между организмами для быстрой идентификации. 47

Филогенетическая систематика Учитывает эволюционные связи между прокариотами. Для установления степени родства используются: n n сравнительный генетический анализ; анализ строения рибосомальной РНК (16 S – у прокариот и 18 S – у эукариот). Преимущества р-РНК как объекта для анализа: n широкая распространенность; n изофункциональность; n консервативность первичной структуры. 48

Филогенетическая систематика На основании строения р-РНК организмы были разделены на 3 царства: n n n Eucaryotae – эукариоты; Eubacteria – эубактерии (истинные бактерии), митохондрии и хлоропласты; Archaebacteria – архебактерии. 49

Система классификации определителя бактерий Берджи Дэвид Хендрикс Берджи (David H. Bergey, 1860– 1937). www. historiadelamedicina. org В 1923 г. группа бактериологов выпустила первое издание Определителя бактерий Берджи. 1994 г. – девятое издание, 2001– 2009 гг. – десятое. 51

Практическая систематика n Основная идея классификации «по Берджи» – легкость идентификации бактерий. Для этого используют совокупность признаков: n n культуральных; n n морфологических; физиолого-биохимических. Система классификации Берджи не учитывает эволюционные связи между прокариотами. 52

Деление царства Procaryotae на высшие таксоны Отдел I. Gracilicutes (gracilis – тонкий; cutes – кожа). Отдел II. Firmicutes (firmus – крепкий, прочный). Отдел III. Tenericutes (tener – мягкий, нежный). Отдел IV. Mendosicutes (mendosus – ошибочный). 53

Царство Procaryotae Отделы Классы Gracilicutes Scotobacteria, Anoxyphotobacteria, Oxyphotobacteria Firmicutes Firmibacteria, Thallobacteria Tenericutes Mollicutes Mendosicutes Archaeobacteria 54

Краткая характеристика отделов Признаки Отдел Gracilicutes Морфология Разнообразная: кокки, палочки, извитые формы, нитчатые Клеточная стенка Грам(–) Размножение Бинарное деление Образование спор Цисты. Эндоспор не образуют 55

Краткая характеристика отделов Признаки Отдел Gracilicutes Подвижность Перемещаются с помощью жгутиков или скольжением. Многие подвижны Отношение к кислороду Аэробные, анаэробные или факультативно анаэробные формы 56

1 класс Scotobacteria Группа 1. Спирохеты Включает порядок Spirochaetales. Представители рода Spirochaeta – обычные обитатели пресных и соленых водоемов. 57

Семейство Acetobacteriaceae Acetobacter aceti – продуцент фруктового уксуса. Acetobacter xylinum – синтезирует целлюлозу. Gluconobacter oxydans – осуществляет неполное окисление. Продуцент витамина С, глюконовых кислот, диоксиацетона. 58

Семейство Methylococcaceae Объединяет бактерии, использующие одноуглеродные органические соединения (метан, метанол). template. bio. warwick. ac. uk Methylocystis Methylomonas Methylococcus 59

Семейство Pseudomonadaceae Flavobacterium – встречаются в почве, воде, на пищевых продуктах. Есть паразиты рыб. medecinepharmacie. univ-fcomte. fr koichokubai. web. fc 2. com microbewiki. kenyon. edu 60

Семейство Enterobacteriaceae Erwinia – гетерогенная группа ассоциированных с растениями бактерий. Есть фитопатогенные виды. www. inapicoltura. org www. sanger. ac. uk 61

Семейство Vibrionaceae Vibrio fischeri – светящиеся симбионты морских животных и рыб. 62

Группа 9. Риккетсии и хламидии Облигатные внутриклеточные паразиты n Порядок Rickettsiales. Не способны регулировать поглощение и выведение метаболитов (метаболические паразиты). n Порядок Chlamydiales. Не могут синтезировать высокоэнергетические соединения, в том числе АТФ (энергетические паразиты). 63

Группа 14. Скользящие бактерии, образующие плодовые тела: миксобактерии Включает порядок Муxobacteriales www. bio-po. de Плодовое тело бактерий рода Myxococcus microbewiki. kenyon. edu 64

Цианобактерии Местообитания цианобактерий 65

Краткая характеристика отделов Признаки Отдел Firmicutes Морфология Кокки, палочки, мицелиальные формы Клеточная стенка Грам(+) Размножение Бинарное деление Образование спор Образуют эндоспоры и экзоспоры 66

Краткая характеристика отделов Признаки Отдел Firmicutes Подвижность Перемещаются с помощью жгутиков. Большинство неподвижны Отношение к кислороду Аэробные, анаэробные или факультативно анаэробные формы 67

Молочные стрептококки В 1986 г. молочные стрептококки выделены в отдельный род Lactococcus. L. cremoris L. thermophilus L. lactis 68

Род Clostridium C. perfringens C. botulinum C. difficile C. sporogenes C. tetani 69

Группа 19. Грамположительные неспорообразующие палочки правильной формы Lactobacillus – в составе рода около 50 видов, объединенных в семейство Lactobacillaceae. Получают энергию в процессе молочнокислого брожения. L. bulgaricus L. delbrueckii L. casei 70

Группа 20 Bifidobacterium – основной компонент кишечной микрофлоры. Propionibacterium – обитают в сыре и молочных продуктах, на кожных покровах и в кишечнике человека и животных. P. acnes 71

Группа 21. Микобактерии Включает семейство Mycobacteriaceae, род Mycobacterium. M. avium М. tuberculosis Содержат в клеточных стенках миколовые кислоты: М. tuberculosis – возбудитель туберкулеза; М. leprae – возбудитель проказы. 72

Актиномицеты Образуют пигменты, которые могут выделяться в окружающую среду. Streptomyces Actinoplanes 1 – Actinomadura; 2 – Nocardia; 3 – Micromonospora 73

Краткая характеристика отделов Признаки Отдел Tenericutes Морфология Чрезвычайно плеоморфны Клеточная стенка Отсутствует. Клетки окружены ЦПМ Размножение Бинарным делением, почкованием, фрагментацией Подвижность Неподвижны, редко скользящее движение 74

Краткая характеристика отделов Признаки Отдел Tenericutes Отношениек кислороду Аэробные, анаэробные или факультативно анаэробные формы Особенности Образуют мелкие, врастающие в агар колонии 75

ОТДЕЛ Tenericutes Группа 30. Микоплазмы – бактерии без клеточной стенки Класс – Mollicutes. Плеоморфные клетки Рост на среде в виде «глазуньи» 76

Группа 30. Микоплазмы 1 3 2 1 – Spiroplasma citri; 2 – Thermoplasma; 3 – Mycoplasma pneumoniae 77

Краткая характеристика отделов Признаки Отдел Mendosicutes Морфология Кокки, палочки, нити. Многие плеоморфны Клеточная стенка Не содержит типичного пептидогликана Размножение Бинарным делением, почкованием, фрагментацией Подвижность Многие имеют жгутики 78

Краткая характеристика отделов Признаки Отдел Mendosicutes Отношение к кислороду Большинство – строгие анаэробы Особенности Способны жить в экстремальных условиях 79

Группа 31. Метаногены – обитатели анаэробных зон водоемов и почвы, компонент микрофлоры рубца жвачных животных. 1. Methanobacterium. 2. Methanocarcina. 3. Methanococcus. 80

Группа 33. Экстремально галофильные аэробные архебактерии (галобактерии) Оптимальное содержание Na. Cl – 20– 26 %. Высоки потребности в других ионах (Mg 2+, K+). Halobacterium Natronococcus 81

Группа 34. Архебактерии, лишенные клеточной стенки Включает один род Thermoplasma. Выделяются из саморазогревающихся угольных куч, горячих источников. Термофилы, оптимум – 59 °С. 82

Группа 35. Экстремальные термофилы и гипертермофилы, метаболизирующие S 0 Растут в температурном диапазоне 45– 110 ºС. Кислотный горячий источник – типичное местообитание Thermoproteus. 83

Группа 35 Экстремальные термофилы выделяются из глубоководных гидротерм (черных курильщиков) 84

Группа 35 Sulfolobus часто обнаруживается там, где есть вулканическая активность. 85

Группа 35 Вулканический источник (Yellowstone National Park), местообитание Thermosphaera Камчатка, горячий источник – местообитание Desulfurococcus 86