mikrobiologiia

11

Г.А. Надсон (1867-1942) – ботаник-микробиолог, изучал роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе и их геологическую деятельность, стал открывателем и основоположником общей радиобиологии ирадиационной микробиологии. В 1925 г. он впервые получил индуцированные мутации дрожжей посредством облучения клеток рентгеновскими лучами. Был первым директором Института микробиологии (ИНМИ).

Б.Л. Исаченко (1871-1948) – специалист в области общей, морской и экологической микробиологии. Его исследования положили начало изучению роли микроорганизмов в круговороте веществ в водоемах.

А.А. Имшенецкий (родился 26.12.1904 (8.1.1905)-1992). Во время директорства А. А. Имшенецкого в ИНМИ получили развитие геологическая и нефтяная микробиология, основы культивирования микроорганизмов, экзобиология (моделирование микробной жизни на Марсе). Автор работ по космической биологии. В 1955 г. Имшенецкому была присуждена медаль Л. Пастера.

Н.А. Красильников (1896-1973) – работал в области почвенной микробиологии, один из первых рассматривал жизнь почвенных микроорганизмов в единой системе с высшими растениями, им выполнено большое количество работ, посвященных антагонизму микробов. Н. А. Красильников известен также как крупнейший специалист по систематике микроорганизмов, он первый создал определитель бактерий и актиномицетов, разработал эволюционный принцип в систематике актиномицетов.

Е.Н. Мишустин (1901-1991), его основные труды по микробиологии почв, процессам самоочищения почв от загрязнений и патогенов, фиксации атмосферного азота, роли микроорганизмов в продуктивности земледелия. Разработал проблему зонального распространения микроорганизмов в почвах различных географических зон.

Мощным стимулом для развития промышленной микробиологии стало открытие пенициллина. А. Флеминг (1881-1955) – бактериолог, профессор микробиологии Лондонского университета, ректор Эдинбургского университета. В 1929 открыл вещество, которое выделял гриб Penicillium notatum, назвал его пенициллином. А. Флеминг не смог получить пенициллин в пригодном для инъекций виде. Эту работу выполнили в Оксфорде Х. Флори (1898-1968) и Э. Чейн (1906-1979), лишь в 1938.

Открытие пенициллина, а затем других антибиотиков произвело настоящую революцию в лечении инфекционных болезней.

З. В. Ермольева (1898-1974), выдающийся ученый-микробиолог и биохимик, создатель ряда отечественных антибиотиков. Ее основные труды по изучению холеры и антибиотикам. Ею был разработан метод экспрессдиагностики холеры. В Ташкентском институте вакцин и сывороток был создан и применен комплексный препарат бактериофага, который был способен бороться с возбудителями таких опасных заболеваний, как холера,

12

брюшной тиф и дифтерия. Производство этого препарата было организовано

вСталинграде во время войны. Ежедневно его принимали 50 тыс. человек. Величайшей заслугой Ермольевой является то, что она не только первой

внашей стране получила пенициллин, но и активно участвовала в организации и налаживании его промышленного производства в годы Великой Отечественной войны.

«Рождение» пенициллина послужило импульсом для создания других антибиотиков: стрептомицина, тетрациклина, левомицетина и др. Кроме того, Ермольева первой из отечественных ученых, начала изучать интерферон как противовирусное средство.

Вгоды Великой Отечественной войны возникла потребность в большом количестве продуктов микробного происхождения, что привело к развитию промышленных методов их получения.

В.Н. Шапошников (1884-1968) – основатель промышленной микробиологии, заложил основы промышленного производства молочной и масляной кислот, ацетона, бутилового спирта и др.

В.С. Буткевич (1872-1942) – разработал микробиологический способ получения лимонной кислоты. Широко известны его работы о роли микроорганизмов в образовании железомарганцевых руд.

С.П. Костычев (1877-1931) изучал химизм дыхания и брожения и обнаружил генетическую связь между этими процессами. Совместно с В. С. Буткевичем С.П. Костычев разработал технологию промышленного получения лимонной кислоты с помощью гриба Aspergillus niger.

6. Направления микробиологии

С начала XX века продолжается дальнейшая дифференциация микробиологии.

Общая микробиология: изучает морфологию, физиологию, экологию, систематику, генетику микроорганизмов; участие микроорганизмов в круговороте веществ в природе.

Водная микробиология: изучает роль микробов в круговороте веществ в природе, разрабатывает микробиологические способы очистки промышленных и сточных вод.

Почвенная микробиология: изучает видовой состав различных групп микроорганизмов, населяющих почву, их численность и зависимость от внешних условий, биохимическую деятельность почвенных микроорганизмов, их роль в эволюции и плодородии почвы, а также взаимодействие друг с другом и с высшими растениями.

Медицинская и ветеринарная микробиология: изучает патогенные и условно-патогенные микроорганизмы, их роль в развитии инфекционной патологии. Границы современной медицинской микробиологии значительно расширились. Из нее выделились вирусология, иммунология, санитарная микробиология.

Сельскохозяйственная микробиология: изучает роль микроорганизмов в почвообразовании и плодородии почвы. Изучает

13

патогенные для растений микроорганизмы, способы защиты растений от болезней и вредителей.

Космическая микробиология: изучает влияние на микроорганизмы космических условий, наличие микробов на других планетах и в метеоритах, способы предупреждения заноса земных микроорганизмов на другие планеты и заноса микробов из космоса на Землю. Важным вопросом является решение проблемы круговорота веществ в космических кораблях, для обеспечения жизнедеятельности человека в длительных космических полетах.

Геологическая микробиология: исследует роль микробов в круговороте элементов земной коры, в образовании полезных ископаемых, горных пород, разрабатывает микробиологические способы получения металлов из руд.

Промышленная микробиология (биотехнология) превратилась в мощную производительную силу. Задачей этой важной области является разработка и промышленное получение микробным синтезом различных соединений, микробных удобрений, БАВ (антибиотиков, ферментов, витаминов, гормонов, вакцин).

Генетика микроорганизмов – одно из наиболее прогрессирующих направлений современной микробиологии. Предметом этой науки является молекулярная структура генов прокариотов, закономерности функционирования и репликации генов, процессы мутагенеза, конструирование методом генной инженерии новых штаммов с заданными способностями биосинтеза веществ.

ЛЕКЦИЯ 2. ПОЛОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В СИСТЕМЕ ЖИВОГО МИРА

До середины XIX в. все организмы, населяющие планету, по структурным и функциональным признакам подразделялись на два царства: растения

(Plantae) и животные (Animalia).

С изобретением светового микроскопа постепенно накапливалась информация о существовании простейших одноклеточных организмов, невидимых человеческим глазом, признаки которых не укладывались в критерии двух вышеуказанных царств. В связи с этим Э. Геккель в 1866 г. предложил выделить эти организмы в третье царство — протестов (Protista) (от греч. protos — самый простой). К этому царству он отнес все организмы, имеющие малые размеры и относительно простую биологическую организацию: микроскопические грибы (дрожжи и плесени),

одноклеточные водоросли, простейшие и бактерии.

Однако с конца XIX в. стали накапливаться сведения о различии в строении клеток разных микроорганизмов, входящих в группу Protista, что повлекло за собой деление их на высшие и низшие. На основании молекулярно-

14

биологической организации клеток Р. Меррей в 1968 г. предложил все клеточные организмы разделить на две группы:

•высшие — эукариоты (приставка эуозначает «истинный, настоящий», kаryоn — ядро), клетки которых сходны с животными и растительными клетками;

•низшие — прокариоты (приставка проозначает «простой»), которые по строению своих клеток существенно отличаются от всех других организмов.

Из микроорганизмов к эукариотам отнеслимикроскопические водоросли, грибы, простейшие. К прокариотам –бактерии, в том числе

риккетсии, актиномицеты, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Впоследствии Р. Виттэкером была предложена схема, по которой все живые организмы, имеющие клеточное строение, разделены на пять царств

(рис. 1).

Рис. 1. Схема пяти царств живого мира (по Whittaker, 1969)

Многоклеточные эукариоты представлены тремя царствами — животные, растения и грибы. Представители этих царств различаются по способу питания. Животные осуществляют питание путем захватывания и переваривания пищи — голозойный тип питания; для растений характерен фотосинтез и соответственно фототрофный тип питания; грибы питаются в основном растворенными органическими веществами — осмотрофный тип питания.

Царство протистов объединяет в большинстве своем микроскопические одноклеточные организмы с эукариотным строением клетки — простейшие и одноклеточные водоросли.

Царство Моnеrа включает прокариотные организмы и представлено многочисленным и разнообразным миром бактерий. Возраст наиболее древних бактерий насчитывает по меньшей мере 3—3,5 млрд лет. Другие бактерии, как считают ученые, появились сравнительно недавно. В настоящее время различные представители мира микробов встречаются практически во всех экологических нишах нашей планеты. Они выделены изо льдов Арктики и Антарктиды, из нефтяных скважин, горячих источников, образцов почвы разных пород. Многие микроорганизмы паразитируют в организме человека и животных, вызывая при этом различные заболевания.

Особое место среди микроорганизмов занимают вирусы (от лат. virus— яд). Вирусы не имеют клеточного строения, не способны размножаться самостоятельно и выделены в отдельную группу организмов, репродукция которых может происходить только внутри живых клеток. Все вирусы объединены в царство Vira.

15

Основными структурными элементами каждой живой клетки являются ДНК, РНК, цитоплазма, цитоплазматическая мембрана, запасные питательные вещества.

Эукариотическая клетка характеризуется сложным строением. Она имеет истинное ядро с ядрышком, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. В ядре содержится набор хромосом, постоянный для каждого вида организмов. Хромосомы в процессе митоза удваиваются и распределяются между дочерними клетками. В хромосомах ДНК связана с основными белками — гистонами. В клетке имеются и другие органеллы, содержащие кольцевые ДНК небольшого размера (митохондрии и хлоропласты). В цитоплазме клетки сосредоточены органеллы, отделенные от цитоплазмы элементарными мембранами: вакуоли, митохондрии, хлоропласты, лизосомы, аппарат Гольджи.

Рибосомы эукариот имеют константу седиментации 80S. Сеть мембран (эндоплазматический ретикулум) разделяет клетку на отдельные участки.

В прокариотической клетке отсутствует истинное ядро. Ядерный аппарат, называемый нуклеоидом, представляет собой гигантскую кольцевую молекулу ДНК, расположенную непосредственно в цитоплазме. Эта так называемая «бактериальная хромосома» содержит всю генетическую информацию клетки. Кроме того, в цитоплазме клетки могут содержаться очень небольшие кольцевые молекулы ДНК — плазмиды. Прокариоты не содержат митохондрий, хлоропластов и других органелл, характерных для эукариот. Рибосомы у них меньше, чем упрокариот, энергетические центры клетки находятся в плазматической мембране, мезосомах, хроматофорах или тилакоидах.

Имеется существенная разница и в химическом составе клеточных стенок прокариот и эукариот. Основным веществом клеточной стенки прокариотической клетки является пептидогликан - муреин, тогда как клеточная стенка эукариотической клетки состоит в основном из полисахаридов.

Прокариоты рассматриваются как реликтовые формы, появившиеся на первых этапах биологической эволюции и приспособившиеся к существованию в анаэробных условиях, когда на Земле еще не было кислорода. Несмотря на простоту организации клетки, прокариоты в процессе развития приобрели разносторонние физиолого-биохимические функции, которые обеспечивают разнообразие метаболических путей и вследствие этого — широкое распространение в природе. Развитие эукариотов произошло значительно позднее — с появлением кислорода в атмосфере, что рассматривается как гигантский скачок в эволюции организмов, проявившийся в усложнении строения клетки и морфологической дифференциации.

2. Структурная организация прокариотической (бактериальной) клетки

Основными структурными элементами каждой живой клетки являются

ДНК, РНК, цитоплазма, цитоплазматическая мембрана, запасные питательные вещества.

17

Б- цитоплазматические клеточные структуры: 7 - ЦПМ ; 8 нуклеоид ; 9 - рибосомы ; 10

-цитоплазма ; 11 - хроматофоры ; 12 - хлоросомы ; 13 - пластинчатые тилакоиды ; 14 - фикобилисомы ; 15 - трубчатые тилакоиды; 16 - мезосома ; 17 - аэросомы (газовые вакуоли) ; 18 - ламеллярные структуры ;

В - запасные вещества: 19 - полисахаридные гранулы; 20 гранулы поли-Р-оксимасляной кислоты; 21 - гранулы полифосфата; 22 - цианофициновые гранулы ; 23 - карбоксисомы (полиэдральные тела) ; 24 - включения серы; 25 - жировые капли; 26 - углеводородные гранулы.

Нуклеоид

По строению ядерный аппарат прокариотов значительно отличается от ядра эукариотических клеток. Он представлен нуклеоидом (генофором), который лишен оболочки и включает в себя почти всю ДНК бактерии. Бактериальная хромосома состоит из одной двунитевой суперспирализованной молекулы ДНК кольцевой формы плотно уложенной наподобие клубка. В отличие от эукариот, нуклеоид бактерий не имеет ядерной оболочки, ядрышка, основных белков (гистонов) и не делится митозом. В нем содержится также

небольшое количество РНК и белков. Наследственная информация у бактерий хранится в форме последовательности нуклеотидов ДНК, которая определяет последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка. Каждому белку соответствует свой ген. Бактериальная хромосома содержит до

4000 отдельных генов.

Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы всегда

специфическими для ДНК методами (по Романовскому-Гимзе). На электронограммах ультратонких срезов бактерий нуклеоид имеет вид светлых зон с фибриллярными, нитевидными структурами ДНК, связанной определенными участками с ЦПМ или мезосомой, участвующими в репликации хромосомы.

Кроме нуклеоида в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности – плазмиды, представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.

Цитоплазматическая мембрана

Цитоплазматическая мембрана при электронной микроскопии ультратонких срезов представляет собой трехслойную мембрану (2 темных слоя толщиной по 2,5 нм разделены светлым - промежуточным). По структуре она похожа на плазмалемму клеток животных и состоит из двойного слоя фосфолипидов с внедренными поверхностными, а также интегральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. При избыточном росте (по сравнению с ростом клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты — впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами.

Цитоплазма

19

вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с внутренней мембраной, которую называют цитоплазматической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двойной) слой липидов. Внутренний слой наружной мембраны представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен липополисахарид (ЛПС). Липополисахарид наружной мембраны состоит из трех фрагментов: липида А - консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицательных бактерий; ядра, или стержневой, коровой части (лат. core — ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры (наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кетодезоксиоктоновая кислота); высоковариабельнои О-специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями (О-антиген). Белки матрикса наружной мембраны пронизывают ее таким образом, что молекулы белка, называемые поринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы.

При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пенициллина, защитных факторов организма образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой: протопласты — бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты - бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. Бактерии сфероили протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные размножаться, называются L-формами.

Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. Некоторые L-формы (нестабильные) при удалении фактора, приведшего к изменениям бактерий, могут реверсировать, «возвращаясь» в исходную бактериальную клетку.

Между наружной и цитоплазматической мембранами находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты (протеазы, липазы, фосфатазы, нуклеазы, бета-лактомазы) и компоненты транспортных систем.

Споры

Споры - своебразная форма покоящихся фирмикутных бактерий, т.е. бактерийс грамположительным типом строения клеточной стенки. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных веществ и др.. Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора). Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения, как у грибов. Спорообразующие бактерии рода Bacillus имеют споры, не превышающие диаметр клетки. Бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, называются клостридиями, например, бактерии рода Clostridium (лат.Clostridium - веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля-Нильсена в красный, а вегетативная клетка в синий цвет.

Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке -

20

терминальное, т.е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное - ближе к концу палочки (у возбудителей ботулиэма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы). Спора долго сохраняется из-за наличия многослойной оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизмов. В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии: активация, инициация, прорастание.

ЛЕКЦИЯ 3. МОРФОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

План:

1.Морфология бактерий.

2.Структурная организация бактериальной клетки

3.Строение и отличие клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий.

1. Морфология и размеры бактерий представлены на рисунках 3-8.

Рис. 3 Формы микроорганизмов