Микробиология- это раздел биологии, изучающий закономерности жизни и развития микроорганизмов в единстве с окружающей средой.

Эта наука изучает свойства микроорганизмов и процессы, которые они вызывают в макроорганизме.

Микробиология подразделяется на разделы: Общую и медицинскую. Медицинская на общую, частную, и санитарную.

Общая микробиология - изучает строение и жизнедеятельность микроорганизмов, наследственность, изменчивость, физиологию, циклы развития.

Медицинская микробиология -изучает патогенных микроорганизмов, вызывающих заболевания у человека.

Микроорганизмы не вызывающие заболевания называются – сапрофиты. Существуют заболевания, вызванные условно-патогенной микрофлорой, заболевания развиваются при попадании микроорганизмов, в определённую не свойственную для них, среду обитания.

Частная микробиология -изучает конкретных возбудителей заболеваний и методы диагностики.

Медицинская микробиология связана с другими медицинскими дисциплинами, такими как инфекционные болезни, эпидемиология, общая гигиена, генетика, анатомия и физиология человека, основы сестринского дела, латинский язык и другими.

Из медицинской микробиологии постепенно выделяются науки: вирусология, иммунология протозоология как раздел паразитологии, микология (наука, изучающая грибковые заболевания).

Четыре царства жизни.

Мир микроорганизмов разнообразен. По мере их открытия и изучения микроорганизмы были распределены на группы:

1. Бактерии

2. Лучистые грибы

3. Нитчатые грибы

4. Дрожжевые грибы

5. Сине-зелёные водоросли

6. Спирохеты

7. Простейшие

8. Риккетсии

9. Микоплазмы

10. Вирусы

11. Плазмиды

Единственное, что их объединяет, - микроскопические размеры. Эти организмы отличаются друг от друга по многим признакам: по уровню организации геномов, наличию и составу белоксинтезирующих систем и клеточной стенки.

Согласно этим признакам все живые существа делятся на 4 царства: эукариоты, прокариоты, вирусы и плазмиды. К прокариотам относят бактерии, сине-зелёные водоросли, спирохеты, актиномицеты, риккетсии, микоплазмы. Простейшие, нитчатые грибы и дрожжи- эукариоты.

Отличительные особенности перечисленных царств жизни следующие:

Прокариоты - это организмы у которых нет оформленного ядра, а есть лишь предшественник – нуклеоид. Он представлен 1 или несколькими хромосомами, которые состоят из ДНК и свободно располагаются в цитоплазме не отграниченные от неё никакой мембраной. Прокариоты не имеют аппарата митоза, ядрышка, митохондрий. Обладают рибосомами клеточной стенкой с пептидогликаном. По типу дыхания- аэробы и анаэробы. Двигаются с помощью жгутиков, построенных у прокариот из белка флагеллина и не содержат микротрубочек.

Эукариоты - имеют ядро отграниченное от цитоплазмы ядерной мембраной, аппарат митоза и ядрышко, рибосомы, митохондрии, не содержат пептидогликана, все аэробы. Подвижность обеспечивают жгутики и состоят из белка тубулина, представляют систему микротрубочек.

К царству вирусов и плазмид относят организмы геном, которых представлен либо ДНК, либо РНК. Они являются абсолютными внутриклеточными паразитами.

Геном – полный набор генетической информации.

Для того чтобы обозначить определение понятия «микроорганизм» необходимо определить главный критерий который бы отличал живое от неживого. Ген является единственным носителем и хранителем жизни. Отличие живого от неживого наличие собственной генетической системы. Все кто имеют свою генетическую систему рассматриваются как организмы.

Микроорганизмы - это невидимые простым глазом представители всех царств жизни, занимающие низшие ступени эволюции, но играющие важную роль в круговороте веществ в природе, патологии растений, животных и человека.

Принципы систематики и классификации бактерий.

Систематика занимается описанием видов организмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением в классификационные единицы (таксоны). Классификация – составная часть систематики. Она сводится к распределению организмов в соответствии с их признаками по различным таксонам. Таксономия- наука о принципах и методах распределения (классификации) организмов в иерархическом плане. Основной таксономической единицей в биологии является вид.

Крупные таксономические единицы: род, семейство, порядок, класс. Дополнительные категории: подрод, подтип, подпорядок, подкласс.

Вид - группа близких, между собой организмов, имеющих общий корень происхождения, на данном этапе эволюции, характеризуются определёнными морфологическими, биохимическими и физиологическими признаками, обособленным отбором от других видов и приспособлены к определённой среде обитания.

Специфические особенности микроорганизмов, ряд признаков и свойств используют для их классификации:

1.Морфологические признаки – величина, форма и характер взаиморасположения.

2. Тинкториальные свойства - способность окрашиваться различными красителями. Важный признак отношение к окраске по Граму, которое зависит от структуры и химического состава клеточной стенки. При разрушении клеточной стенки или утрате (в случае L- трансформации) они становятся грамотрицательные. По этому признаку все бактерии делятся на грамотрицательные (окрашиваются в красный цвет) и грамположительные (окрашиваются в фиолетовый цвет).

3 Культуральные свойства- особенности роста бактерий на жидких и полтных питательных средах. Рост на жидких средах с образованием пленки, осадка, помутнения.

Рост на плотных питательных средах в виде колоний, представляется возможным определить: форму, размеры, края колоний, поверхность, прозрачность и другие свойства.

В микробиологии используют специальные термины:

Ø Колония – видимая простым глазом изолированная структура, образующиеся в результате размножения и накопления бактерии за определённый срок инкубации.

Ø Срок инкубации – время роста бактерий.

Колония образуется из одной родительской клетки или нескольких идентичных клеток. Пересевом из изолированной колонии может быть получена чистая культура возбудителя.

Ø Культура – Вся совокупность бактерий выросших на плотной или жидкой питательной среде.

Ø Чистая культура возбудителя - один вид бактерий выросших на плотной питательной среде. Во избежание диагностических ошибок в бактериологии изучают свойства только чистых однородных культур.

Ø Штамм – конкретный образец данного вида.

4.Подвижность бактерий – различают подвижные и неподвижные.Подвижные подразделяются на ползающие или скользящие, плавающие, передвигающиеся волнообразно.

5. Спорообразование - Форма и характер расположения спор в клетке.

6.Физиологические свойства – способы питания, тип дыхания, рост и размножение.

7.Биохимические свойства – способность ферментировать (расщеплять) углеводы, протеолитическая активность, образование индола, сероводорода.

8.Геносистиматика - Изучение нуклеотидного состава ДНК и характеристик генома. Точный метод установления генетического родства между бактериями является определение степени гомологии ДНК. Чем больше идентичных генов, тем выше степень гомологии ДНК и ближе генетическое родство. Метод молекулярной гибридизации ДНК-ДНК используется для систематики бактерий. Если диапазон гомологии ДНК от 60 до 100% определяют принадлежность к одному и тому же виду, степень гомологии от 40 до 60%- к разным родам.

Тема: Морфология бактерий.

Бактерии обладают определённой формой и размерами, которые выражаются в микрометрах (мкм). Различают основные формы бактерий: шаровидные или кокковидные (от греч.kokkos- зерно); палочковидные, извитые, нитевидные. Кроме того существуют бактерии, имеющие треугольную форму, звездообразную, тарелкообразную, существуют бактерии квадратные.

Кокковидные патогенные бактерии.

Имеют форму правильного шара, некоторые бобовидную и ланцетовидную. По характеру взаиморасположения клеток после деления кокки подразделяются на группы:

1. Микрококки (от лат. micros- малый) Делятся в одной плоскости, располагаются одиночно, беспорядочно; сапрофиты, патогенных для человека нет. Гр (+) – окрашиваются в фиолетовый цвет.

2. Диплококки (от лат.diplos – двойной) Деление происходит в одной плоскости с образованием пар клеток, имеющих либо бобовидную (как представитель гонореи- гонококк) Гр (-)-окрашиваются в красный цвет, либо ланцетовидную (как возбудитель стрептококковой пневмонии). Гр (+) – окрашиваются в фиолетовый цвет.

3. Стрептококки (от греч. streptos-цепочка) Деление происходит в одной плоскости, но после размножения клетки сохраняют между собой связь, образуя цепочки разной длины, напоминающие нити бус. Стрептококки являются патогенными для человека - вызывают ангину, скарлатину, гнойные воспаления и другие. Гр (+) – окрашиваются в фиолетовый цвет.

4. Стафилококки (от лат. staphуle – гроздь винограда.) Делятся в нескольких плоскостях, образуя клетки располагающиеся скоплениями, напоминающими гроздь винограда. Они частые возбудители гнойных воспалений. Гр (+) – окрашиваются в фиолетовый цвет.

5. Тетракокки (от лат. tetra – четыре.) Деление клеток в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с образованием тетрад. Патогенные для человека виды встречаются редко.Гр (+) – окрашиваются в фиолетовый цвет.

6. Сарцины (от лат.sarcina –связка, тюк.) Деление клеток в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях с образованием пакетов (тюков) из 8, 16, 32 и большего числа особей. Встречаются в воздухе, существуют условно - патогенные представители.

Гр (+) – окрашиваются в фиолетовый цвет.

Палочковидные патогенные бактерии.

Термин “ Бактерия”(от греч.bakteria - палочка) применяется как название всего царства прокариот и палочек не образующих спор.

Палочки, образующие споры, подразделяются на:

-бациллы (от лат.bacillus- палочка) представитель возбудитель сибирской язвы (bacillus anthracite).

-клостридии (от лат. clostridium – веретенообразный) представитель возбудитель столбняка (Clostridium tetani).

Палочки бывают длинными-3мкм как представитель возбудитель газовой гангрены (Clostridium novyi); короткими -1,5-3 мкм как кишечная палочка (Escherichia coli) и большинство возбудителей кишечных инфекций; очень короткими –менее 1мкм как представитель возбудитель бруцеллёза (brucella meiitensis).

Концы палочек могут быть закруглёнными как у кишечной палочки, утолщёнными как у возбудителя дифтерии. Палочка может иметь яйцевидную форму как возбудитель чумы (Yersinia pestis).

По диаметру их делят на тонкие как возбудитель туберкулёза (Мycobactvrium tuberculosis) и толстые как возбудитель газовой гангрены (Clostridium perfringens).

По взаиморасположению бактерий их подразделяют на 3 группы:

Монобактерии - палочки располагаются одиночно и беспорядочно. Гр (-)-окрашиваются

Диплобактерии – располагаются попарно. в красный цвет

Стрептобациллы – располагаются цепочкой.

Извитые патогенные бактерии.

По количеству и характеру завитков, а также диаметру клеток подразделяют на 2 группы:

1.Вибрионы (от греч.Vibrio- изгибаюсь) имеют один изгиб, представитель возбудитель холеры.

2. Спириллы (от греч. Speira – завиток) представитель спирохеты.

Строение бактериальной клетки.

Клетка – универсальная структурная единица всего живого. В её составе можно выделить структуры:

I. Клеточная стенка- присуще только бактериям (кроме микоплазм). Выполняет функции:

Ø Определяет и сохраняет постоянную форму бактерий.

Ø Защищает клетку от действия механических и осмотических сил внешней среды.

Ø Участвует в регуляции роста и деления клеток.

Ø Обеспечивает связь с внешней средой.

Клеточная стенка характеризуется наличием уникального химического соединения- пептидогликана, наделяющего клетку важными иммунобиологическими свойствами:

Ø Пептидогликан активизирует работу иммунной системы, запускает систему комплемента.

Ø Защищает бактерии особенно грамположительные от фагоцитоза.

Ø Способствует развитию аллергических реакций.(ГЗТ)

Ø Обладает противоопухолевым действием.

Ø Оказывает пирогенное действие на организм животных и человека.

Ø Нарушение его синтеза приводит к превращению бактерий из S - формы в L – форму с помощью чего происходит длительное персистирование (нахождение) возбудителя в организме – одна из основных причин перехода заболевания из острой формы в хроническую. Соответственно L – трансформация как и спорообразование, является важнейшей формой приспособления бактерий к неблагоприятным условиям существования.

II. Наружная мембрана – состоит из двух слоёв липидов и набора белков, локализованных мозаично. Два из основных белков связаны с пептидогликаном. Эти белки- порины образуют диффузные поры, через которые в клетку проникают мелкие молекулы. Второстепенные белки выполняют специфические функции: одни обеспечивают механизмы питания, участвуют в облегчённой диффузии, другие в активном транспорте молекул через наружную мембрану и регуляции клеточного деления. Наружная мембрана выполняет функцию барьера, через который в клетку не способны проникать крупные молекулы, что является одним из механизмов устойчивости грамотрицательных бактерий к антибиотикам.

Если бактерии поместить в гипертонический раствор, то наступает обезвоживание клеток, цитоплазма съёживается, в результате клетки гибнут – это явление называется плазмолизом. Этим свойством пользуются для консервирования пищевых продуктов с помощью концентрированных растворов соли или сахара. Устойчивы, к плазмолизу возбудитель ботулизма и золотистый стафилококк, которые являются частыми виновникам пищевых отравлений.

Если бактерии поместить в гипотонический раствор или дистиллированную воду, то происходит противоположное явление – плазмоптиз- вода устремляется в клетки происходит их набухание и разрушение.

III. Цитоплазматическая мембрана - является полифункциональной структурой:

Ø Цитоплазматическая мембрана воспринимает всю химическую информацию, поступающую из вне.

Ø Является осмотическим барьером, благодаря чему внутри клетки поддерживается определённое осмотическое давление.

Ø Цитоплазматическая мембрана вместе с клеточной стенкой и участвует в регуляции роста и клеточного деления.

Ø Место генерации энергии у бактерий.

Ø Цитоплазматическая мембрана связана со жгутиками, аппаратом регуляции движения.

Ø Цитоплазматическая мембрана участвует в процессах транспорта питательных веществ, в клетку и продуктов жизнедеятельности из клетки. В ней содержатся белки участвующие в облегчённой диффузии и активном транспорте.

Ø Участвует в осуществление биосинтеза белка путём стабилизации рибосом.

Ø Участвует в образовании мезосом.

Цитоплазматическая мембрана содержит:

Цитоплазматическая мембрана связана с процессами жизнеобеспечения клетки: облегчённой диффузией и активным транспортом. Вместе с клеточной стенкой она образует оболочку клетки.

IV. Цитоплазма - сложная коллоидная система. В ней располагается ядерный аппарат – нуклеоплазма, который не отделён от неё никакими мембранами. Кроме хромосом в цитоплазме многих патогенных бактерий, имеются плазмиды. В цитоплазме располагаются рибосомы, мезосомы, макромолекулы (тРНК, аминокислоты, нуклеотиды), различные включения(капельки липидов, воск, сера, гранулы гликогена как у клостридий, зерна валютина- как у возбудителя дифтерии).

V. Периплазматическое пространство - находится между цитоплазматической мембраной и пептидогликаном. Мезосомы и поры из клеточной стенки открываются в периплазматическое пространство. Это пространство обеспечивает взаимосвязь цитоплазматической мембраны и клеточной стенки.

VI. Капсула – представляет собой слизистый слой, связанный с клеточной стенкой. Она служит внешним покровом бактерии. Некоторые патогенные бактерии образуют капсулу только в организме человека и животных, как возбудители газовой гангрены, сибирской язвы. Капсула наделяет бактерию многими важными свойствами:

v образует оболочку бактерий;

v предохраняет от высыхания;

v несёт запас питательных веществ;

v готовят вакцины из компонентов капсулы для защиты против менингококковых и пневмококковых инфекций;

v являются фактором патогенности для бактерий: они либо маскируют их от фагоцитов, либо подавляют фагоцитоз. Утрата способности синтезировать капсулу у пневмококка, например, сопровождается полной утратой патогенности.

VII. Жгутики – необходимы для движения бактерий. Они, получая химический сигнал из окружающей среды, изменяют направления движения и выбирают оптимальные условия для своего существования. По характеру расположения жгутиков и их количеству бактерии делят:

1) Монотрихи - один полярно расположенный жгутик(как у холерного вибриона).

2) Лофотрихи -пучок жгутиков на одном конце.

3) Амфитрихи – пучки жгутиков с двух концов.

4) Перитрихи - множество жгутиков вокруг клетки(как у кишечной палочки).

VIII. Спора - защитная форма в неблагоприятных условиях существования. Это своеобразные покоящиеся клетки. Они обладают высокой устойчивостью к высушиванию, действию повышенной температуры и химических веществ. Высокую резистентность (устойчивость) спор к действию внешних факторов связывают с присутствием в оболочке большого количества Са. Споры в клетке могут располагаться:

v центрально – как у возбудителя сибирской язвы;

v субтерминально- как у возбудителя ботулизма;

v терминально - как у возбудителя столбняка.

Тема: Физиология бактерий.

Физиология бактерий изучает жизненные функции микроорганизмов: питание, дыхание, рост и размножение. Обмен веществ клетки и все биохимические процессы – метаболизм. Различают 2 его стороны: анаболизм и катаболизм. Анаболизм – синтез клеточных структур. Катаболизм – это совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией.

Механизмы питания бактерий.

Обмен происходит между клеткой и внешней средой и контролируется клеточной мембраной. Она проницаема для многих веществ, поток идёт в двух направлениях (из клетки и в клетку), но структура мембраны такова, что она обладает избирательной и неравномерной проницаемостью, определяющей 3 механизма питания бактерий:

I. Пассивная диффузия - осуществляется за счёт различного содержания веществ в среде и в клетке, происходит в направлении от большей концентрации к меньшей. Когда концентрация вещества по ту и другую сторону мембраны уравнивается, пассивная диффузия прекращается. Таким путём в клетку поступает и покидает её вода с растворенными в ней мелкими молекулами, способными проходить через мелкие поры мембраны. Эта диффузия не специфична и не требует затрат энергии.

II. Облегчённая диффузия – протекает при обязательном участие специфических белков локализованных (находящихся) на мембране. Они названы пермеазы (от англ. permeate – проникать, проходить сквозь). Свойство пермеаз – способность проходить через мембрану с присоединённой молекулой субстрата. Таким способом эритроциты поглощают глюкозу.

III. Активный транспорт – с его помощью растворенные вещества поступают в клетку, что требует затрат энергии. У бактерий этот механизм питания – преобладающий.У многих бактерий, особенно грамотрицательных в активном транспорте принимают участие особые связывающие белки, локализованные в периплазматическом пространстве, они обладают сродством к различным питательным веществам – аминокислотам, сахарам, неорганическим ионам. Связывающие белки образуют прочные комплексы с субстратами и необходимы для переноса через мембрану. Функционируют связывающие белки только вместе с пермеазами

Способы питания бактерий.

Углеродное питание. К числу важнейших химических элементов, необходимых для синтеза органических соединений, относят: углерод (С), азот (N), водород (Н), кислород (О). Свою потребность в водороде и кислороде бактерии удовлетворяют через воду. По способу углеродного питания бактерии делятся на: аутотрофы (автотрофы) и гетеротрофы.

Автотрофы – организмы, которые полностью удовлетворяют свои потребности в углероде за счёт СО₂ . Они способны синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию света и окислительные реакции.

Гетеротрофы - организмы, которые не могут полностью удовлетворить свои потребности в углероде за счёт СО₂ , а требуют для своего питания готовых органических соединений. Гетеротрофы подразделяются - на сапрофитов и паразитов.

Сапрофиты – источником питания служат мертвые органические субстраты.

Паразиты – живут за счёт живых тканей животных и растений.

Гетеротрофы усваивают углерод из готовых органических соединений, для чего требуется энергия. Существуют 2 источника энергии- фотосинтез и хемосинтез.

Фотосинтез - это синтез за счёт энергии солнечного света. Хемосинтез - это энергия, которую получают за счёт окисления неорганических соединений.

Азотное питание. По способу азотного питания бактерии подразделяются: на аминоавтотрофов и аминогетеротрофов.

Аминоавтотрофы – способны полностью удовлетворять свои потребности в азоте, необходимом для синтеза белков и нуклеиновых кислот, с помощью атмосферного и минерального азота.

Аминогетеротрофы - для роста и размножения нуждаются в готовых органических азотистых соединениях: некоторых аминокислотах и витаминах.

К числу аминоавтотрофов относятся азотфиксирующие бактерии, свободно живущие в почве –клубеньковые бактерии (они размножаются на корнях бобовых растений).Симбиоз их с растениями взаимовыгоден, так как вместе они продуцируют ряд физиологически активных соединений, которые благоприятно влияют на бобовые растения. В почве они обитают как сапрофиты. Вторая группа аминоавтотрофов представлена нитрифицирующими бактериями, которые используют для синтеза белков в качестве источника азота, соли аммиака, азотистой и азотной кислот. Эти 2 группы бактерий играют важную роль в обеспечении плодородия почв.

Аминогетеротрофы для роста и размножения нуждаются в различных органических азотистых соединениях. Многие бактерии синтезирую аминокислоты и основания из минеральных источников азота и нуждаются в витаминах (ростовых факторах): вит. Н, вит.В₁ , вит. В₂ , вит.В₃ , вит.В₄, вит. В₅,вит.В₉.

Для нормальной жизнедеятельности бактерии обязательно нуждаются в ионах: Na, K, Cl, Ca²⁺ , Mn²⁺ , Mg²⁺ ,Fe²⁺ , Cu²⁺ , а также в сере и фосфоре, которые поступают в клетку путём диффузии и активного транспорта. Все процессы обмена веществ представляют собой цепь взаимосвязанных во времени и в пространстве саморегулируемых реакций. Каждая из реакций катализируется(ускоряется) соответствующим ферментом.

Ферменты.

Ферменты (от греч fermentum- закваска), или энзимы - специфические белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Их нет у плазмид и некоторых вирусов. У бактерий обнаружены 6 классов ферментов:

1. оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции);

2. трансферазы (катализируют реакции переноса групп атомов и др веществ);

3. гидролазы (катализируют, расщепление различных соединений - гидролиз белков, жиров, углеводов. Белки – до аминокислот и пептонов, жиры –до жирных кислот и глицерина, углеводы – до ди- и моносахаридов);

4. лигазы (катализируют реакции отщепления от субстрата химической группы или, наоборот, присоединение её);

5. изомеразы (катализируют внутримолекулярные превращения);

6. синтетазы (катализируют соединение двух молекул).

Изучение ферментов у бактерий представляет интерес для микробиологической промышленности (их используют в пивоварении, виноделии, для улучшения пористости хлеба). Изучение обмена веществ патогенных бактерий, необходимо для понимания механизмов, с помощью которых они реализуют свою патогенность т.е. для выяснения патогенеза инфекционных заболеваний.

Дыхание бактерий.

По типу дыхания бактерии делятся на:

1. строгие аэробы – размножаются только в присутствии кислорода (О₂ ).

2. микроаэрофилы – нуждаются в уменьшенной концентрации кислорода.

3. факультативные анаэробы - способны потреблять глюкозу и размножаться как в аэробных так и в анаэробных условиях.

4. строгие анаэробы – размножаются только при отсутствии кислорода.