Предмет, мета та завдання мікробіології. Морфологія та ультраструктура

Предмет, мета та завдання мікробіології. Морфологія та ультраструктура мікроорганізмів. ВНМУ ім. М. І. Пирогова Кафедра мікробіології

Мікробіологія – комплекс біологічних наук про найдрібніші живі істоти, основна мета якої - вивчення морфології, фізіології, генетики і екології мікроорганізмів. Мікроорганізми (мікроби) – збірна назва найменших (мікроскопічних) організмів клітинної або неклітинної організації , розміри яких не перевищують 0, 1 мм.

Характерні типові ознаки: • • Розміри Порівняно проста організація Висока швидкість розмноження Висока пластичність та пристосованість • Виключна біохімічна активність • Надзвичайна розповсюдженість

Напрямки мікробіології • Загальна мікробіологія • Промислова або технічна мікробіологія • Фармацевтична мікробіологія • Сільськогосподарська мікробіологія • Ветеринарна мікробіологія • Санітарна мікробіологія • Медична мікробіологія

• Медична мікробіологія • вивчає хвороботворні (патогенні) і умовно-патогенні для людини мікроорганізми • розробляє методи мікробіологічної діагностики • методи специфічної профілактики та етіотропного лікування викликаних ними інфекційних захворювань

Напрямки медичної мікробіології • Бактеріологія – наука про закономірності будови, фізіології і біологічні властивості патогенних і сингенних для людини бактерій • Вірусологія – вивчає біологічні властивості вірусів, які мають медичне значення

Напрямки медичної мікробіології • Мікологія – предметом вивчення є патогенні та умовно-патогенні для людини гриби • Протозоологія – наука про найпростіших , які мають мікроскопічні розміри і здатні викликати захворювання у людей

Розділи медичної мікробіології • Інфекційна мікробіологія – вивчає біологічні властивості збудників інфекційних захворювань людини, методи мікробіологічної діагностики, профілактики і лікування епідемічних захворювань

Розділи медичної мікробіології • Клінічна мікробіологія – досліджує мікробіологічні аспекти етіології, патогенезу, і імунології неепідемічних мікробних захворювань та розробляє методи їх мікробіологічної діагностики

Розділи медичної мікробіології • Імунологія – розглядає закономірності специфічного і неспецифічного захисту організму людини у відповідь на дію мікроорганізмів, розробляє методи діагностики, терапії і профілактику інфекційних захворювань на підставі імунологічних реакцій

Завдання медичної мікробіології • Вивчення морфології , фізіології, генетики, екології мікроорганізмів, які потенційно небезпечні для здоров’я людини • Виявлення нових хвороботворних мікроорганізмів і вивчення їх біологічних властивостей

Завдання медичної мікробіології • Розробка методів ранньої мікробіологічної діагностики • вдосконалення існуючих або класичних методів діагностики мікробних захворювань

Завдання медичної мікробіології • Вивчення патогенних властивостей хвороботворних мікроорганізмів і їх роль у патогенезі (розвитку) інфекційних захворювань • Вивчення закономірностей спільного існування мікроорганізмів в навколишньому середовищі

Завдання медичної мікробіології • Вивчення механізму впливу патогенних мікроорганізмів на імунну систему організму • особливості імунної відповіді людини на певні хвороботворні мікроорганізми • можливості застосування імунних реакцій для діагностики захворювань

Завдання медичної мікробіології • Пошук нових високоефективних хімічних протимікробних речовин • Вдосконалення існуючих методів специфічної профілактики і лікування мікробних захворювань

Періоди розвитку мікробіології Емпіричний період – охоплює час від зародження людства до відкриття першого мікроскопу Мікрографічний період (описовий) – це період зародження мікробіології як науки - друга половина ХУІІст. середина ХІХст. Фізіологічний період (пастерівський) – середина ХІХ-початок ХХ ст. – “золота ера” мікробіології (Л. Пастер, Р. Кох)

Імунологічний період – перша половина ХХст. – становлення і розвиток хіміотерапії (П. Ерліх, Ж. Борде, Я. Флемінг, З. Ваксман) Сучасний період – з другої половини ХХ ст. до нашого часу – бурхливий розвиток імунології, вірусології, генетики мікроорганізмів, становлення генної інженерії. Зародження молекулярної генетики, відкриття нових вірусів (ВІЛ, Марбург, Ебола, вірусних гепатитів, онкогенних вірусів), розвиток імуногенетики, імунохімії

Принципи класифікації і систематики мікроорганізмів Систематика мікроорганізмів – наука, завданням якої є опис і упорядкування різноманітних мікроорганізмів, їх розподіл (класифікація) на певні систематичні групи (таксони)

Застосовують 2 принципи класифікації мікроорганізмів: • Філогенетичний (природний) принцип, • згідно якому належність мікроорганізмів до певної групи визначають, виходячи із будови геному

• Фенотиповий принцип – полягає у об’єднанні мікроорганізмів за подібними властивостями (патогенність, морфологія, фізіологія, ферментативні ознаки, антигенна будова). Цей принцип більш поширений, дозволяє розробити так звані робочі класифікації, які широко використовуютья для встановлення збудника.

Принципи класифікації вивчає особливий розділ систематики – таксономія • Таксономія (гр. taxisрозташування, nomos-закон) –теоретична дисципліна, яка досліджує принципи, методи та правила класифікації і номенклатури організмів

Для мікроорганізмів прийняті наступні категорії таксономічної ієрархії (таксони): Вид (Species) Рід (Genus) Родина (Familia) Порядок (Ordo) Клас (Classis) Відділ (Divisio) Царство (Regnum)

Основна таксономічна одиниця в мікробіології – вид Вид – еволюційно встановлена сукупність особин, які мають єдиний тип організації і які в стандартних умовах виявляють подібні фенотипові ознаки (морфологічні, фізіологічні, біохімічні, антигенну будову і інше), мають свій генофонд і можуть схрещуватись

Види об’єднуються в роди, до яких відносять близько споріднені, пов’язані спільним походженням мікроорганізми Для назви мікроорганізмів використовують бінарну (біномінальну) номенклатуру К. Ліннея, згідно якої перше слово вказує на рід і пишеться з великої літери, а друге слово – видова назва (з маленької літери) Наприклад: Staphylococcus aureus

В межах виду мікроорганізми можуть незначно відрізнятись за певними фенотиповими ознаками або екологічними нішами Для визначення відмінних за певними ознаками мікроорганізмів використовують термін “варіант” або різновид

Відрізняють морфологічні, біохімічні, серологічні, біологічні варіанти, які називають відповідно морфовари, хемовари, серовари, біовари Біовари – варіанти мікроорганізмів одного виду, які відрізняються за біологічними або культуральними ознаками Фаговари – варіанти одного виду , які мають чутливість до різних бактеріофагів (віруси бактерій)

В мікробіології використовують також такі нетаксономічні поняття, як «штам» , «клон» та «культура» Штам (нім. Stammen-походити) – це мікроорганізми певного виду, варіанту, виділені із певного джерела (організму людини, тварини чи об”єкту оточуючого середовища) в певний час

Клон (гр. klon-відводок) – сукупність особин, яка утворилась із однієї материнської клітини Культура – це сукупність особин одного виду або варіанту, що знаходяться в фазі поділу чи спокою, в певному об΄ємі поживного середовища

Сучасна класифікація мікроорганізмів Клітинні мікроорганізми надцарство Eucaryotae Procaryotae царство Animalia Fungi царство Eubacteriae підцарство Protozoa Неклітинні мікроорганізми Vira Канонічні віруси Не канонічні віруси

Відмінності будови еукаріотичної та прокаріотичної клітин Тип клітини прокаріоти 1 -10 мкр. Розміри еукаріоти 10 -100 мкр. Цитологічні властивості Геном представлений не відокремлений від цитоплазми (нуклеоїд), 1 хромосомою відокремлений від цитоплазми, міститься в ядрі лінійними хромосомами Мітохондрії — + Апарат Гольджі — Ендоплазмат. сітка — + + Рибосоми в цитоплазмі 70 S (50 S+30 S) локалізовані в ЕПС 80 S (60 S+40 S) Клітинна стінка пептидоглікан хітин або целюлоза Ендоспори + —

Основні морфологічні ознаки мікроорганізмів • форма • розміри • розташування у полі зору • тінкторіальні властивості • ультраструктура клітини

Ультраструктура бактерій Клітинна оболонка бактерій: - капсула - клітинна стінка - цитоплазматична мембрана Поверхневі структури бактерій: - джгутики - мікроворсинки (пілі або війки, фімбрії) Внутрішні структури: - цитоплазма - нуклеоїд - рибосоми - лізосоми - включення

Методи вивчення морфології мікроорганізмів Морфологія (будова) мікроорганізмів вивчається за допомогою світлової мікроскопії забарвленних або нативних препаратів бактерій, грибів, найпростіших. Світлова мікроскопія – дослідження морфології мікроорганізмів у звичайному мікроскопі (роздільна здатність 0, 2 мкм або 200 нм) збільшення в 700 - 1200 разів • а) імерсійна мікроскопія • б) темнопольна мікроскопія • в) фазовоконтрастна мікроскопія

Електронна мікроскопія – застосовують електронний мікроскоп роздільна здатність якого 0, 2 нм, збільшення 700000 -1, 5 млн разів, застосовують для дослідження ультраструктури клітинних мікроорганізмів і вивчення морфології вірусів, які невидимі в світловий мікроскоп (< 0, 2 мкм або 200 нм) Люмінісцентна мікроскопія – базується на використанні барвників, які світяться при опроміненні УФ

Сферичні – коки (гр. кokkos-ягода, зерно) – мають кулясту, овальну, бобовидну, ланцетовидну форму В залежності від характеру розташування в полі зору, що пов’язано із кількістю площин поділу, виділяють: • мікрококи (поодинокі коки) • диплококи (по 2) • тетракоки (по 4) • стрептококи (ланцюги) • сарцини (пакети по 8 - 16 коків) • стафілококи (грона)

Паличкоподібні або палички – мають циліндричну форму, розрізняються за розмірами, формою кінців клітини, розташуванням і спороутворенням За спороутворенням: • Споронеутворюючі- власне бактерії • Cпороутворюючі - бацили – діаметр спори не перевищує d бактерії - клостридії – d спори > d бактерії, тому при спороутворенні клітина деформується (clostesверетено) За розташуванням: поодинокі, диплобактерії (диплобацили), стрептобактерії (стрептобацили)

Звивисті бактерії – спіралеподібні бактерії, які мають 1 або більше завитків За кількістю завитків: • Вібріони (1/4 завитка) • Спірили (1 -2 завитка) • Спірохети (3 -25 завитків) - борелії (3 -8 завитків) - трепонеми (8 -15 завитків) - лептоспіри (20 -25 завитків) Ниткоподібні – розміри від 50 мкм (актиноміцети)

Розміри бактерій Морфологічні особливості бактерій і їх ультраструктура є, як правило сталою (постійною) ознакою, що дозволяє використовувати їх в якості ідентифікаційного критерію Розміри бактерій варіюють в межах (1 мкм=1*10 -6 м) • від 0, 1 - 0, 2 мкм до 10 - 15 мкм в довжину • від 0, 1 до 2, 5 мкм в товщину

Розташування в полі зору залежить від способу поділу та розходження дочірних клітин Бактерії, що повністю розходяться в результаті поділу • утворюють поодинокі бактерії Зберігають зв΄язок за рахунок цитоплазматичних зв΄язків • дипло-розташування

Розташування в полі зору Зберігається подальший зв΄язок між клітинами • в одній площині – стрептококи • в двох взаємоперпендикулярних площинах –тетра. . . • в трьох взаємоперпендикулярних площинах – стафіло. . .

Поліморфізм – це здатність мікроорганізмів існувати або знаходитись в різних морфологічних формах (R- та Lформах) Природний поліморфізм – видова ознака збудника, що пов΄язана з особливостями росту та розвитку Індукований поліморфізм – виникає в результаті дії певних чинників

Чинники індукованого поліморфізму: • Хімічні (солі металів, антимікробні засоби) • Фізичні (нефізіологічна температура) • Біологічні (старіння бактерій)

Капсула бактерій Капсула – зовнішній шар, розташований поверх клітинної стінки, який не фарбується аніліновими барвниками За хімічним складом виділяють: • Полісахаридні капсули • Поліпептидні капсули • Змішані капсули • Хімічний склад: полісахариди або поліпептиди + вода (80 -90%)

За здатністю утворювати капсулу виділяють: • Безкапсульні мікроорганізми • Капсульні мікроорганізми, які утворюють капсулу - тільки в макроорганізмі - в макроорганізмі і на спеціальних поживних середовищах - постійно

Капсула бактерій В залежності від товщини і щільності зв’язку з стінкою клітини капсули поділяють на: • макрокапсули (істинні) – видимі в світловий мікроскоп, товщина > 0, 2 мкм, виявляють за допомогою спеціального методу забарвлення за Бурі-Гінсом • мікрокапсули (товщина < 0, 2 мкм), невидимі в світловий мікроскоп, виявляють за допомогою електронної мікроскопії або за допомогою серологічних реакцій • Капсулоподібна оболонка або слизовий шар – нещільно зв’язана з поверхнею клітини (ліпідо -полісахарідний шар)

Функції та властивості капсули 1. Захисна функція: • Захист від несприятливих факторів навколишнього середовища ( інсоляції, висушування, бактеріофагів) • Антифагоцитарна роль (обумовлює патогенні властивості капсульних бактерій) 2. Адгезивна функція • Полісахариди капсули споріднені до певних клітин або тканин організму людини (тропізм) 3. Антигенні властивості • Полісахариди або поліпептиди капсул утворюють К-АГ – при потраплянні в організм викликає імунну відповідь

Будова клітинної стінки Для вивчення будови і хімічного складу клітинної стінки бактерій в умовах звичайної баклабораторії використовують складний метод забарвлення за Грамом. В залежності від будови і хімічного складу клітинної стінки бактерії поділяють на: грампозитивні (забарвлюються за методом Грама у синьофіолетовий колір) грамнегативні – забарвлюються у рожевий колір.

Будова клітинної стінки Основним компонентом клітинної стінки гр(+) і гр(-) бактерій є пептидоглікан (син. муреїн, мукопептид протеоглікан) – складний біополімер, побудований із полісахаридних і пептидних ланцюгів і являє собою складну сітчасту макромолекулу (“муреїновий мішок”), який покриває протопласт бактерії.

Особливості будови клітинної стінки гр(+) бактерій: 1. пептидоглікан складає до 90% сухого залишку, який має багатошарову будову (одноманітність) 2. до складу клітинної стінки входять тейхоєві кислоти , які прошнуровують усю товщу клітинної стінки 3. ліпіди, як правило, відсутні; винятком є кислотостійкі бактерії, які містять велику кількість нейтральних жирів, восків, парафінів 4. білки розташовуються назовні від клітинної стінки (наприклад, білок А у Staphylococcus і білок М у Streptococcus) 5. товщина клітинної стінки 20 нм (20 -40 нм)

Особливості будови клітинної стінки гр(+) бактерій

Особливості будови клітинної стінки гр(-) бактерій • 1. складається із трьох шарів, різних за хім. будовою: • - внутрішній шар (ригідний) представлений 1 або 2 шарами пептидоглікану, який складає 20% сухого залишку • середній шар - ліпопротеїновий (зовнішня мембрана) • зовнішній шар - ліпополісахаридний пластичний шар • до складу пластичного шару входять білки, фосфоліпіди, ліпополісахариди • товщина клітинної стінки 20 нм. • менш ригідна, чим клітинна стінка гр(+) бактерій

Особливості будови клітинної стінки гр(-) бактерій

Функції клітинної стінки 1. Захисна - від шкідливих факторів зовнішнього середовища 2. Формоутворююча –надає форми за рахунок ригідності 3. Рецепторна (рецептори для бактеріофагів, хімічних речовин, бактеріоцинів) 4. Імуногенна (компоненти клітини стінки є повноцінними АГ і подразнюють імунну систему людини)

• 5. Транспортна • 6. Приймає участь у поділі клітини • 7. Токсичні властивості (ендотоксин) • 8. Будова та хімічний склад клітинної стінки бактерії обумовлює її тінкторіальні властивості (здатність сприймати барвники)

Поверхневі структури До поверхневих структур мікроорганізмів відносять органели руху – джгутики, пілі (фімбрії) Джгутики бактерій – орган руху, побудований із особливого скоротливого білка флагеліну; Наявність джгутиків, їх кількість і характер розташування є ідентифікаційною ознакою певних мікроорганізмів.

• Джгутики складаються з базального тільця, за допомогою якого вони кріпляться до бактерії, гачка і власне джгутика (білок флагелін). • Базальне тільце побудоване як система кілець, нанизаних на осьовий циліндр. В базальному тільці утворюється обертовий момент , який передається на джгутик, завдяки руху якого бактерія рухається. • Направлений рух бактерій називається таксис • (аеро-, хемофототаксис)

• • • За видом руху виділяють: Ковзаючі – рух за рахунок скорочення тіла Плаваючі – рух за допомогою жгутиків а)монотрихи – один джгутик з одного боку б)лофотрихи – два або декілька з одного боку в)амфітрихи – по одному або декілька з обох полюсів г)перитрихи – джгутики по всій поверхні тіла

Методи виявлення джгутиків Джгутики виявляють у плаваючих бактерій, здатних до руху у рідкому або напіврідкому середовищі. Існують як прямі, так і непрямі способи виявлення джгутиків. Прямі (мікроскопічні методи): а) електронна мікроскопія – дозволяє вивчити будову джгутиків, встановити їх кількість і розташування (монотрихи, амфітрихи, лофотрихи, перитрихи) б) світлова мікроскопія мазків , забарвлених спеціальними методами (Леффлера, імпрегнація сріблом)

Методи виявлення джгутиків Непрямі методи – базуються на вивченні рухливості бактерій: а)бактеріоскопічний метод – мікроскопія нативних препаратів ”роздавлена” або висяча крапля – для вивчення монотрихіальної рухливості б) бактеріологічний метод – посів уколом в стовпчик напіврідкого агару (визначення перитрихів) або посів в конденсаційну воду скошеного агару

До поверхневих структурних елементів відносять також пілі або фімбрії. Розрізняють пілі двох типів: 1. Пілі загального типу (common-пілі) – забезпечують адгезію бактерій на певних органах або тканинах 2. F – пілі або sex- пілі – слугують для передачі генетичного матеріалу під час кон”югації двох різних клітин.

Внутрішні структури бактерій • Включення – це продукти метаболізму бактерій, які розташовуються в цитоплазмі і використовуються клітиною в якості запасних поживних речовин. • За хімічним складом це можуть бути як органічні (білки, жири, глікоген, крохмаль), так і неорганічні сполуки (сірка, поліфосфати, залізо).

• Ідентифікаційне значення в медичній мікробіології мають тільки зерна волютину (поліфосфати) у Corynebacterium diphtheriaе, які виявляють за методом • забарвлення за Нейсером. • Зерна волютину у збудника дифтерії • розташовані, як правило, на полюсах • клітини, діаметром більше за поперечник. • (тіла бактеріальних клітин жовті, • зерна – синьо-чорні).

Спори бактерій – округлі або овальні утворення, які формуються всередині бактеріальної клітини за несприятливих умов зовнішнього середовища. Основна мета спороутворення у бактерій – збереження виду в несприятливих умовах. Найбільш впливовим фактором для утворення спори є відсутність поживних речовин, наявність кисню в оточуючому середовищі для анаеробних бактерій, висушування.

• Процес спороутворення у бактерій проходить у 4 стадії і триває 18 -20 годин. • В організмі людини або на поживних середовищах (сприятливі умови) спори проростають і утворюють вегетативну форму. • Процес проростання спори триває 5 -6 годин.

Спори бактерій Виявляють спори за методами Ожешко або Ціля-Нільсена (спори забарвлюються у червоний колір, вегетативні клітини – у синій).

Спори бактерій • До спороутворюючих бактерій, які мають медичне значення, відносять бацили (збудник сибірки) і клостридії (збудники правцю, ботулізму і газової анаеробної інфекції). • Характер розташування, форма і розмір спор є сталою ознакою, яка використовується для ідентифікації бактерій.