Микробиология

Выдающийся ученик И.И.Мечникова  – Н.Ф.Гамалея первым освоил методику приготовления вакцины против бешенства  и применил ее в России, организовал  первую пастеровскую станцию в Одессе для прививок населения от бешенства, провел крупные исследования по изучению туберкулеза, бешенства, холеры.

В 1898 году Н.Ф.Гамалея впервые наблюдал явление бактериофагии, провел фундаментальные  исследования по изучению невосприимчивости  организма и создал одну из теорий иммунитета, обосновал применение так называемых химических вакцин – профилактических препаратов, признанных в настоящее время наиболее перспективными. Значителен вклад Гамалеи в производство и применение вакцин для профилактики оспы, сыпного тифа, чумы.

Л.А.Тарасевич разработал методы борьбы с сыпным тифом, доказал эффективность прививок против туберкулеза, внес огромный вклад в изучение механизмов действия ферментов фагоцитов.

Особо отягощенным по эпидемиологическим и инфекционным показателям был  революционный 1917 год, когда в период гражданской войны в России свирепствовал сыпной тиф. Активное участие в борьбе с инфекциями принимали Д.К.Заболотный, Л.В. Громашевский, М.Н.Соловьев.

После окончания гражданской войны  отечественными микробиологами выполнялись  фундаментальные исследования, ставшие этапными в истории отечественной и мировой микробиологии.

Д.К. Заболотным, Н.Н.Жуковым-Вередниковым, М.П.Покровской, С.И.Коробковой, В.М.Туманским  были получены эффективные вакцины  против чумы, разработана схема лечения  чумы. В 30-х годах З.В.Ермольева и Г.Ф.Гаузе возглавили работы по изысканию и получению антибиотиков. З.В. Ермольевой принадлежит приоритет получения первого кристаллического пенициллина.

В современной микробиологии продолжают славные традиции школ микробиологов  с мировыми именами:

- вирусологов – Л.А.Зильбера, разработавшего  вирусогенетическую теорию происхождения  опухолей,

- В.М. Жданова, М.П.Чумакова, А.А.Смородинцева, П.Ф.Здродовского.

 

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ВИРУСОЛОГИИ

5-й. Честь открытия вирусов принадлежит Д.И.Ивановскому, который впервые в 1892 году на примере мозаичной болезни табака доказал существование новой формы возбудителя.

Слово «вирус» в древнеримском  языке означало «яд», «отрава», оно  применялось еще Л.Пастером для обозначения заразного начала.

С 1949 году в вирусологии  были приняты новые методы работы, сыгравшие важнейшую роль в открытии новых вирусов. В 1952 году Д.Эндерс, Т. Уэллер и Ф.Роббинс за разработку метода культивирования клеток получили Нобелевскую премию. Появилась возможность получения культуральных вакцин. Так, М.П.Чумаков и А.А.Смородинцев разработали

живую вакцину против полиомиелита. В то же время  американские

вирусологи Дж. Солком и А.Сейбиным запатентовали убитую вакцину против полиомиелита. В 1959 году в СССР была проведена массовая иммунизация детей живой полиомиелитной вакциной, что позволило снизить заболеваемость и привело на сегодняшний день к признанию Украины зоной свободной от полиомиелита.

В современной вирусологии  широко используют методы молекулярной биологии. Вирусы благодаря простоте их строения являются распространенной моделью для молекулярной биологии. Ни одно открытие молекулярной биологии не обходится без вирусной модели, включая генетический код, весь механизм внутриклеточной экспрессии генома. Развитие молекулярной биологии способствовало изучению первичной структуры нуклеиновых кислот и белков, появлению методов определения последовательностей аминокислот в структуре белка.

В 1972 году возникает новый  раздел молекулярной биологии – генная инженерия. Появляется возможность получения большого количества нуклеиновых кислот и белков путем введения реконбинантных ДНК в состав генома прокариотов и простейших.  

 

Морфология  микроорганизмов.

6-й. Мир микробов весьма разнообразен и не образует единую систематическую группу. Все микроорганизмы объединены тремя общими признаками:

- имеют чрезвычайно  малые размеры, колеблющиеся от  десятых долей до десятков, иногда  сотен микрометров,

- большинство микроорганизмов  – одноклеточные существа. Встречаются и многоклеточные, но дифференциация клеток у них отсутствует или выражена слабо,

- малые размеры микробов  определяют специфические, сходные  для всех методы исследования  и технику культивирования.

Как известно, основной структурной  единицей живого, за исключением вирусов, является клетка, при этом на основании глубоких различий в ультраструктуре различают прокариотический и эукариотический типы организации клеток. Таким образом, все организмы по принципу строения подразделяются на три царства:

ПРОКАРИОТЫ, ЭУКАРИОТЫ, ВИРУСЫ.

К прокариотам относят  фотобактерии и скотобактерии,

К эукариотам относят  животных, растения, грибы, простейшие.

К вирусам – неклеточные  формы жизни – вирусы и вироиды.

Все микроорганизмы с  прокариотическим типом строения объединены в царство PROCARIOTA, состоящее из двух отделов – фотобактерии (цианобактерии, или сине-зеленые водоросли) и скотобактерии. К первому отделу относят только сапрофитные формы, они не являются предметом нашего изучения. Среди скотобактерий, обитающих в организме человека и животных, существуют патогенные виды, составляющие предмет медициской микробиологии.

Скотобактерии подразделяются на три класса.

 К классу BACTERIA относятся основные виды бактерий – кокки, палочки, извитые формы и актиномицеты.

К классу RICKETTSIAE относятся  облигатные внутриклеточные паразиты – риккетсии и хламидии.

Класс MOLLICUTES составляют скотобактерии, не имеющие клеточной  стенки – микоплазмы.

В соответствии с Международным  кодексом номенклатуры бактерий, приняты следующие таксономические категории царства прокариот:

ОТДЕЛ – КЛАСС –  ПОРЯДОК – СЕМЕЙСТВО – РОД  – ВИД

Для обозначения вида бактерий используется двойная (бинарная) номенклатура, то есть название бактерий состоит из родового и видового обозначений. Вид может подразделяться на подвиды или варианты: биовары (по биологическим свойствам), серовары (по антигенной структуре), фаговары (по чувствительности к фагам).

В практической микробиологии  используют более узкие, чем вид  понятия: штамм и клон.

Штаммы – это различные микробные популяции одного и того же вида, выделенные из различных источников (организмов людей, животных, объектов окружающей среды) или из одного источника в разное время.

Клонами называют популяцию микроорганизмов одного вида, полученную из одной клетки.

 

Ультраструктура прокариотической клетки

7-й. Для всех микроорганизмов, входящих в царство прокариоты, характерен прокариотический тип организации клетки, что определяется особенностями их ультраструктуры, а также строением и функциями ряда макромолекул. Из всех известных клеток прокариотическая самая простая и, вероятно, первая клетка, возникшая около 3,6 млрд. лет назад.

В настоящее время  предполагают, что в какой-то момент времени эволюция клеток пошла по двум самостоятельным направлениям. Появились две группы микроорганизмов – прокариоты, у которых ядерный материал не был ограничен оболочкой, и эукариоты, имеющие оформленное ядро с ядерной оболочкой.

Основные отличия прокариотов  от эукариотов:

- в клетках прокариотов  отсутствуют органеллы,

- ядерная структура  прокариотов, называемая нуклеоидом, не имеет ядерной оболочки  и представлена макромолекулами  ДНК+РНК с белками,

- геном прокариотов  организован в одну кольцевую  хромосому,

- прокариотическая клетка  содержит только один тип рибосомы,

- клеточная клетка прокариотов содержит характерный только для бактерий пептидогликан,

Некоторые прокариоты обладают структурами, отсутствующими у эукариотов:

- подвижные бактерии  – жгутики,

- спорообразующие бактерии  – бактериальные споры,

Диаметр большинства прокариотов очень маленький, не превышает 1 мкм, но длина может быть до 500 мкм.

Клеточное строение четко  отделяет прокариотов от вирусов.

Применение электронной  микроскопии позволило изучить  их ультраструктуру. Все бактериальные клетки, кроме микоплазм, имеют клеточную стенку. На клеточной стенке могут располагаться дополнительные структуры – капсулы, жгутики, пили, споры. Внутри бактериальной клетки различают включения.

Капсула – это наружный, самый верхний слизистый слой клетки различной толщины фибриллярной или глобулярной структуры. Биологическая функция капсулы – защита от фагоцитов и вирусов, токсинов и радиации, сохранение влаги, прикрепление клетки к плотной поверхности.

Пили  (фимбрии, ворсинки, реснички) – это прямые цилиндрические образования белковой природы длиной1 0,3-10 мкм, диаметром до 10 нм, равномерно покрывающие поверхность клетки, не выполняющие функцию движения. Биологическая функция пилей – способствование прикреплению бактериальных клеток к субстрату, клеткам человека, участие в передаче генетического материала, в процессе конъюгации, в адсорбции бактериофагов.

Жгутики – органы движения бактерий в виде спирально изогнутых цилиндрических образований белковой природы на поверхности клетки длиной 3-12 мкм и толщиной 10-30 нм. Число и расположение жгутиков является видовым признаком. Различают монотрихи (бактерии с одним жгутиком на конце), амфитрихи (жгутики расположены по полюсам), лофотрихи (пучок жгутиков на одном конце), перитрихи (с 2-30 жгутиками по всей поверхности клетки).

Клеточная стенка – один из основных структурных элементов бактерии, выполняющий механическую защиту клетки. Толщина ее колеблется от 0,01-14 мкм. Она представляет собой плотную эластичную структуру, которая окружает протопласт клетки и придает ей постоянную форму и жесткость.

Клеточная клетка препятствует набуханию и разрыву клеток, когда  они попадают в гипотоническую среду. Вода и другие малые молекулы и  разные ионы легко проходят через  крошечные поры в клеточной стенке, но через них не проходят крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот.

Цитоплазматическая  мембрана является обязательным компонентом бактериальной клетки, окружающей цитоплазму, в которой содержатся рибосомы и нуклеоид. Она расположена непосредственно под клеточной стенкой, ограничивая протопласт клетки и имеет толщину 7-13 нм. Цитоплазматическая мембрана бактерий представляет собой пластическое «текучее» образование, которое играет важнейшую роль в обмене веществ, является полупроницаемой структурой, поддерживает осмотическое давление, контролирует как поступление веществ в клетку, так и выведение конечных метаболитов. С этой структурой связаны процессы дыхания, доставляющие клетке энергию, то есть те процессы,  за которые в эукариотической клетке ответственны митохондрии и хлоропласты.

Мезосомы – выпячивания цитоплазматической мембраны – смешанные мембранные системы, образованные трубочками, пузырьками и ламеллами. Предполагается выполнение ими функций центра дыхательной активности бактерий, участие в делении клетки и расхождении дочерних хромосом после репликации.

Цитоплазма – заполняет собой объем бактерии. Это сложная коллоидная система, которая состоит из белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, минеральных веществ и 70-80% воды. Цитоплазма является местонахождением внутриклеточных органелл (нуклеоида, рибосом, различных включений) и участвует во внутриклеточном метаболизме. Характерной чертой бактериальной цитоплазмы есть отсутствие эндоплазматического ретикулюма и высокая электронная плотность.

Нуклеоид – ядерный материал бактериальной клетки. Он представлен двойной нитью макромолекулы ДНК в соединении с белками, среди которых отсутсвуют характерные для эукариотов ядерные гистоны. В рериод деления бактериальной клетки нуклеоид представляет собой одну кольцевую хромосому, кодирующую всю генетическую информацию.

Плазмиды – необязательные внутриклеточные структуры в виде внехромосомных кольцевых участков ДНК, способных к саморепликации. Они обуславливают наследование дополнительных признаков: лекарственной устойчивости, токсигенности, бактериоциногенности.

Рибосомы – органеллы, в которых осуществляется синтез белка. Во время синтеза белка рибосомы с помощью информационной РНК образуют полисомы, обычно связанные с цитоплазматической мембраной. Бактерии могут содержать от 5 до 50 тысяч рибосом, что зависит от возраста клетки и условий культивирования.

Споры –(эндоспоры) бактерий – покоящиеся формы некоторых видов грамположительных бактерий в неблагоприятных условиях внешней среды.

Спорообразование происходит в несколько стадий, при полном созревании споры вегетативная часть клеток лизируется и отмирает.

В процессе спорообразования можно выделить несколько основных этапов. Переходящая к спорообразованию клетка перестает расти, как правило, она содержит два и более нуклеоидов. На первом этапе часть клеточной ДНК локализируется в одном из полюсов клетки. Затем часть цитоплазмы с заключенной в ней хромосомой обособляется цитоплазматической мембраной, как бы врастающей в глубь клетки, при этом образуется спора, окруженная двойной мембранной оболочкой.

Затем между двумя  мембранами идет формирование многослойной стенки и корыц (кортекса) споры. Снаружи  мембран образуется полипептидная  оболочка и экзоспорий, окружающий спору в виде свободного чехла. Полностью  сформировавшаяся бактериальная спора  – это уплотненный участок клетки с нуклеоидом и рибосомами, ограниченный плотной многослойной оболочкой, пропитанной кальциевыми солями дипиколиновой кислоты.