Предмет, методы и содержание микробиологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

ГЛАВА 1 МЕСТО МИКРООРГАНИЗМОВ СРЕДИ ДРУГИХ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ. КЛАССИФИКАЦИЯ И СИСТЕМАТИКА

Зрительное восприятие объектов окружающего мира является одним из наиболее важных способов его познания Однако, человеческий глаз видит объекты величиной около 0,1 мм, а различает детали в объектах размером не менее 1 мм В то же время существует целый мир живых существ, разных по своей природе, строению, свойствам, которые вследствие своих малых размеров недоступны зрению человека Такие живые существа называют микроорганизмами. Различаются три царства, эукариоты, прокариоты, вирусы.

Эукариоты (греч eu - хорошо, karyon - ядро) - высшие микроорганизмы Клетка эукариот имеет истинное ядро (лат - nucleus). отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной и содержащее двойной набор хромосом. Клетки эукариотов делятся как по типу митоза, так и по типу мейоза, в их цитоплазме содержатся эндоплазматическая сеть, митохондрии или хлоропласты. В цитоплазме эукариотов содержатся 80S-рибосомы (S - константа седиментации, характеризующая размер частиц) Все эукариоты - аэробы.

Прокариоты, напротив, не имеют истинною ядра - у них нуклеоид, содержащий ДНК, не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной и свободно располагается в цитоплазме. Деление прокариотических клеток происходит по типу амитоза. Цитоплазма содержит 70S-рибосомы, которые меньше по размеру, чем рибосомы в цитоплазме эукариотов. Строение клеточных мембран и жгутиков у прокариотов иное, а клеточная стенка содержит полимерное соединение - пептидогликан, которого нет у эукариотов. Среди прокариотов есть аэробы и анаэробы.

Эти различия имеют практическое значение. Так, избирательность действия на микроорганизмы антибиотиков объясняется различиями в структуре прокариотов и эукариотов. Например, пенициллин действует на клетки, содержащие пептидогликан, тетрациклины - на функцию 70S-рибосом, а полиеновые антибиотики, например, нистатин, - на клеточную мембрану эукариотов.

Согласно современной классификации микроорганизмов, к царству эукариотов относятся простейшие и грибы (табл. 1). Все прокариоты относятся к отделу Bacteria, вирусы составляют особое царство вирусов (Vira). В нашей схеме прокариоты разделены на актиномицеты, спирохеты, собственно бактерии, микоплазмы, риккетсии, хламидии, так как эти группы микробов отличаются по структуре и физиологическим свойствам. Среди прокариотов актиномицеты имеют черты сходства с грибами, а спирохеты - с простейшими. В том порядке, в каком в данной схеме расположены отдельные группы прокариотов, наблюдается уменьшение размеров клеток, упрощение структуры и уменьшение способности к самостоятельному существованию. Бактерии осуществляют свой собственный обмен веществ и способны жить и размножаться вне организма хозяина. Микоплазмы лишены клеточной стенки и могут жить только в изотонической и гипертонической среде, риккетсии - строгие внутриклеточные паразиты: они способны к биосинтезу своего белка, но не могут самостоятельно осуществлять процесс дыхания. Хламидии по своим размерам близки к вирусам и являются строгими внутриклеточными паразитами, способны к биосинтезу белка но, подобно риккетсиям, являются "дыхательными паразитами".

Вирусы не только наиболее малы по размерам, но и по своим биологическим свойствам настолько отличаются от микроорганизмов, что выделены в особое царство Vira.

Распределением живых существ по группам в зависимости от общих признаков занимается биологическая систематика или таксономия (греч. taxis - порядок, nomos - закон). По Международному Кодексу номенклатуры бактерий имеются следующие категории царства прокариотов: отдел, класс, порядок, семейство, вид. Название вида у микроорганизмов дают по биноминальной (двойной) номенклатуре, предложенной Карлом Линнеем для высших организмов. Первое слово обозначает род и пишется с прописной буквы, второе слово - видовое название микроба и пишется с строчной буквы. Например, Corynebacterium diphtheriae - возбудитель дифтерии. При повторном упоминании названия в данном тексте принято сокращать родовое название до начальной буквы, например, С. diphtheriae.

Современная таксономия микроорганизмов основана на морфологии, биохимических и физиологических признаках. Более точным являются современные методы геносистематики, основанные на изучении состава ДНК.

Наиболее общепризнанным среди микробиологов руководством для систематики прокариотов является определитель американского микробиолога Bergy. Первое издание определителя было опубликовано в 1923 году. После смерти Берги вышло еще несколько изданий. Грибы, простейшие и вирусы не включены в определитель.

ГЛАВА 2 МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Бактерии

Бактерии - это одноклеточные прокариотные микроорганизмы. Величина их измеряется в микрометрах (мкм). Бактерии не отличаются разнообразием форм. Различают три основные формы: шаровидные бактерии - кокки, палочковидные и извитые. Кроме того, существуют промежуточные формы (рис. 2).

Кокки (греч. kokkos - зерно) имеют шаровидную или слегка вытянутую форму. Различаются между собой в зависимости от того, как они располагаются после деления. Одиночно расположенные кокки - микрококки, расположенные попарно - диплококки. К патогенным диплококкам относятся пневмококки, имеющие ланцетовидную форму, и бобовидные диплококки - менингококки и гонококки. Стрептококки делятся в одной плоскости и после деления не расходятся, образуя цепочки (греч. streptos - цепочка). Патогенные стрептококки являются возбудителями гнойно-воспалительных заболеваний, ангины, рожи, скарлатины. Тетракокки образуют сочетания из четырех кокков в результате деления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, сарцины (лат. sarcio - связывать) образуются при делении в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и имеют вид скоплений по 8-16 кокков. Стафилококки в результате беспорядочного деления образуют скопления, напоминающие гроздь винограда (греч. staphyle - виноградная гроздь). Среди них есть патогенные виды, вызывающие гнойно-воспалительные и септические заболевания.

Палочковидные бактерии (греч. bacteria - палочка), способные образовывать споры, называют бациллами в том случае, если спора не шире самой палочки, и клостридиями, если диаметр споры превышает диаметр палочки. Палочки, неспособные к спорообразованию, называют бактериями. Палочковидные бактерии, в отличие от кокков, разнообразны по величине, форме и расположению клеток: короткие (1 -5 мкм) толстые, с закругленными концами бактерии кишечной группы; тонкие, слегка изогнутые палочки туберкулеза; располагающиеся под углом тонкие палочки дифтерии; крупные (3-8 мкм) палочки сибирской язвы с "обрубленными" концами, образующие длинные цепочки - стрептобациллы. К извитым формам бактерий относятся вибрионы, имеющие слегка изогнутую форму в виде запятой (холерный вибрион) и спириллы, состоящие из нескольких завитков. К извитым формам также относятся кампилобактеры, похожие под микроскопом на крылья летящей чайки.

Структура бактериальной клетки. Структурные элементы бактериальной клетки можно условно разделить на: а) постоянные структурные элементы - имеются у каждого вида бактерий, в течение всей жизни бактерии; это клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, нуклеоид; б) непостоянные структурные элементы, которые способны образовывать не все виды бактерий, а те бактерии, которые образуют их, могут терять их и вновь приобретать в зависимости от условий существования. Это капсула, включения, пили, споры, жгутики.

Клеточная стенка покрывает всю поверхность клетки. У грамположительных бактерий клеточная стенка более толстая: до 90% - это полимерное соединение пептидогликан, связанный с тейхоевыми кислотами, и слой белка. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше, но сложнее по составу: состоит из тонкого слоя пептидогликана, липополисахаридов, белков; она покрыта наружной мембраной. Наружная мембрана грамотрицательных бактерий является барьером для некоторых антибиотиков, в том числе таких, которые получены в последнее время. Возможно, что этим можно объяснить, почему с недавнего времени в возникновении внутрибольничных инфекций все возрастающую роль играют грамотрицательные бактерии, такие как кишечная палочка, синегнойная палочка. Ранее первенство в этой области принадлежало стафилококкам.

Клеточная стенка выполняет важную биологическую роль: придает бактерии определенную форму, защищает ее от воздействий окружающей среды, участвует в транспорте питательных веществ и продуктов обмена. В то же время пептидогликан клеточной стенки является мишенью для действия пенициллина и других антибиотиков, которые нарушают процесс формирования полимерного пептидогликана. Отсюда понятно, почему пенициллины действуют преимущественно на грамположительные бактерии, причем на молодые растущие клетки.

Значение клеточной стенки в сохранении определенной формы и в защите от окружающей среды наглядно демонстрируется на примере сферопластов и протопластов, которые образуются при разрушении клеточной стенки под действием пенициллина или лизоцима. Полностью или частично лишенные клеточной стенки, они имеют сферическую форму, могут выживать только в гипертонической среде и неспособны к размножению. L-формы бактерий - это бактерии, полностью или частично утратившие клеточную стенку, но сохранившие способность к размножению. Свое название они получили в честь института имени Листера в Англии, где были впервые получены. Не имея клеточной стенки, они также приобретают сферическую форму. L-формы возникают и в естественных условиях, длительно сохраняются в организме человека и играют важную роль в патогенезе некоторых инфекционных заболеваний.

Цитоплазматическая мембрана расположена непосредственно под клеточной стенкой. Она обладает избирательной проницаемостью, и благодаря этому регулирует водно-солевой обмен клетки, транспорт питательных веществ в клетку и выведение наружу продуктов обмена. В этих процессах участвуют ферменты пермеазы. Кроме того, здесь имеются ферменты, осуществляющие биологическое окисление.

Цитоплазматическая мембрана путем инвагинации внутрь клетки образует мембранные структуры - мезосомы. Геном клетки (ДНК) связан с мезосомой, и отсюда начинается процесс репликации ДНК при делении клетки.

Цитоплазма - внутреннее гелеобразное содержимое бактериальной клетки, пронизано мембранными структурами, создающими жесткую систему. В цитоплазме содержатся рибосомы (в которых осуществляется биосинтез белков), ферменты, аминокислоты, белки, рибонуклеиновые кислоты.

Нуклеоид - это хромосома бактерий, двойная нить ДНК, кольцевидно замкнутая, связанная с мезосомой. В отличие от ядра эукариотов, нить ДНК свободно располагается в цитоплазме, не имеет ядерной оболочки, ядрышка, белков-гистонов. Нить ДНК во много раз длиннее самой бактерии (например, у кишечной палочки длина хромосомы более 1 мм).

Помимо нуклеоида, в цитоплазме могут находиться внехромосомные факторы наследственности, называемые плазмидами. Это короткие кольцевидные нити ДНК, прикрепленные к мезосомам.

Включения содержатся в цитоплазме некоторых бактерий в виде зерен, которые можно обнаружить при микроскопии. Большей частью это запас питательных веществ. Например, у дифтерийных палочек на концах видны зерна волютина, и это является важным признаком для определения этого вида бактерий. Вместе с тем это могут быть и скопления неорганических веществ, например, серы, и продукты бактериального метаболизма.

Пили (лат. pili - волоски) иначе реснички, фимбрии, бахромки, ворсинки - короткие нитевидные отростки на поверхности бактерий. Пили общего типа (common pili) в количестве нескольких сотен равномерно покрывают бактерию. Они осуществляют прикрепление (адгезию) бактерии к клетке хозяина и участвуют в питании. Половые пили (sex-пили) имеют внутри канал и образуются только клетками-донорами. Они обеспечивают конъюгацию у бактерий и переход ДНК из одной клетки в другую.

Споры образуют среди патогенных бактерий только палочки - бациллы и клостридии. Споры бактерий не являются способом размножения, поскольку из одной клетки формируется только одна спора. Биологическая роль спор - сохранение вида в неблагоприятных условиях внешней среды.

Превращение бактериальной клетки в спору происходит при попадании бактерии во внешнюю среду, чаще всего - в почву. Спора формируется внутри клетки, затем вегетативное тело лизируется. Образование споры происходит в течение суток. Споры чрезвычайно устойчивы и могут длительное время сохранять жизнеспособность: десятками лет остаются живыми в почве споры возбудителей сибирской язвы, столбняка, ботулизма. Они не погибают при 100°С, убить их можно только автоклавированием, сухим жаром при 160-170°С в течение 1-2 часов, или с помощью спороцидных химических веществ. При попадании в благоприятные условия (оптимальная температура, достаточная влажность, наличие питательных веществ) происходит прорастание спор в вегетативные формы. Прогревание спор при 100°С вызывает их тепловую активацию с последующим прорастанием. Это явление используется при стерилизации дробными методами.

Спорообразование - одно из свойств, характерное для определенных видов бактерий. Форма и расположение споры внутри клетки являются постоянным признаком вида и могут быть использованы для его идентификации. Форма спор бывает круглой или овальной. Расположение центральное - у бацилл сибирской язвы, субтерминальное (ближе к одному из концов) - у клостридий ботулизма и газовой анаэробной инфекции, терминальное (на конце) - у клостридий столбняка. Для окраски спор применяют способ Ожешки, основанный на их кислотоустойчивости.

Жгутики. Многие виды бактерий способны передвигаться благодаря наличию жгутиков. Из патогенных бактерий только среди палочек и извитых форм имеются подвижные виды. Жгутики представляют собой тонкие эластичные нити, длина которых у некоторых видов в несколько раз больше длины тела самой бактерии. Число и расположение жгутиков является характерным видовым признаком бактерий. Различают бактерии: монотрихи - с одним жгутиком на конце тела, лофотрихи - с пучком жгутиков на конце, амфитрихи, имеющие жгутики на обоих концах, и перитрихи, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела. К монотрихам относится холерный вибрион, к перитрихам - сальмонеллы брюшного тифа.

Жгутики настолько тонки, что не видны в световом микроскопе. Их можно видеть в электронном микроскопе, а также при специальных способах окраски, когда толщину жгутика искусственно увеличивают: при помощи танина достигают набухания жгутикового белка, а затем обрабатывают азотнокислым серебром или красителем, который оседает на жгутиках, увеличивая их толщину. Можно косвенно судить о наличии жгутиков, наблюдая подвижность живых бактерий в препаратах "раздавленной" или "висячей" капли. Определение подвижности у бактерий является важным диагностическим признаком, и при повседневной практической работе удобно применять метод посева. В столбик полужидкого питательного агара уколом производится посев бактерий. Неподвижные бактерии растут по ходу укола, а у подвижных наблюдается диффузный рост.

Капсула - наружный слизистый слой, который имеется у многих бактерий. У одних видов он настолько тонок, что обнаруживается только в электронном микроскопе - это микрокапсула. У других видов бактерий капсула хорошо выражена и видна в обычном оптическом микроскопе - это макрокапсула. Капсула обычно состоит из полисахаридов, а у палочки сибирской язвы - из полипептидов

Одни бактерии образуют капсулу только в организме хозяина, например, пневмококки, палочка сибирской язвы, палочка чумы; другие постоянно сохраняют ее, - это капсульные бактерии, например, клебсиеллы. Капсула защищает бактерии от фагоцитоза и антител, поэтому в инфекционном процессе она играет роль одного из факторов патогенности, обеспечивающего антифагоцитарную активность возбудителя болезни. Наличие капсулы является дифференциальным признаком для определения вида таких микробов, как пневмококк, палочка сибирской язвы, клебсиеллы пневмонии, которые образуют макрокапсулу, видимую в световом микроскопе. Для обнаружения капсулы применяют способ окраски по Бурри-Гинсу: при этом на темном фоне туши видны окрашенные фуксином бактерии, окруженные бесцветной капсулой.

Микоплазмы

Микоплазмы относятся к прокариотам, размеры их 125-200 нм. Это наиболее мелкие из клеточных микробов, величина их близка к пределу разрешающей способности оптического микроскопа. У них отсутствует клеточная стенка, и в этом отношении они близки к L-формам бактерий. С отсутствием клеточной стенки связаны характерные особенности микоплазм. Они не имеют постоянной формы, поэтому встречаются сферические, овальные, нитевидные формы. Так как микоплазмы не образуют пептидогликана, они нечувствительны к пенициллинам и другим антибиотикам, избирательно подавляющим синтез этого вещества.

Микоплазмы широко распространены в природе. Их можно выделить из почвы, сточных вод, от животных и человека. Существуют и патогенные виды: Mycoplasma pneumoniae является возбудителем респираторных заболеваний. Условно-патогенные Микоплазмы также играют роль в развитии заболеваний: M.hominis - заболеваний мочеполового тракта, M.arthritidis - ревматоидного артрита. Из рода уреаплазм патогенными являются Ureaplasma urealyticum, вызывающие заболевания мочеполовых органов.

Риккетсии

Риккетсии - прокариотные микробы, получили свое название в память американского микробиолога Говарда Тейлора Риккетса, погибшего в результате лабораторного заражения сыпным тифом. Риккетсии сходны с бактериями по клеточному строению и структуре, а с вирусами их сближает строгий внутриклеточный паразитизм. Они не могут размножаться вне живых клеток хозяина, так как не синтезируют дыхательные ферменты и поэтому неспособны к самостоятельному биологическому окислению. В отличие от вирусов, они содержат оба вида нуклеиновых кислот - ДНК и РНК - и осуществляют процесс биосинтеза белков.

Для риккетсий характерен плеоморфизм, то есть в зависимости от условий существования у них изменяется морфология. В благоприятных для размножения условиях это кокковидные формы (300-400 нм) или короткие палочки, в условиях, когда процесс роста происходит быстрее, чем размножение, преобладают длинные палочки и нитевидные формы.

Многие виды риккетсий вызывают заболевания человека, называемые риккетсиозами. Это Rickettsia prowazekii (риккетсий Провацека) - возбудитель эпидемического сыпного тифа и Coxiella burneti (коксиелла Бернета) -возбудитель Ку-лихорадки.

Хламидии

Хламидии - мелкие прокариотные микробы, сходные по химическому составу с грамотрицательными бактериями. Это строгие внутриклеточные паразиты, так как не образуют АТФ и потому не способны к самостоятельному процессу биологического окисления, т.е. это "энергетические паразиты". Вне клеток хозяина хламидии представляют собой элементарные тельца сферической формы размером 300 нм. В клетке хозяина они превращаются в более крупные ретикулярные тельца, которые делятся и образуют микроколонии хламидии, которые можно видеть в клетке в виде включений. Образовавшиеся в результате элементарные тельца выходят из клетки и совершают новый цикл в других клетках. Патогенные для человека виды: Chlamydia psittaci -возбудитель орнитоза, источником которого являются птицы; C.trachomatis - возбудитель трахомы, поражающей конъюнктиву глаз и хламидиозного уретрита - заболевания, передающегося половым путем; C.pneumoniae - возбудитель воспаления легких.

Актиномицеты

Актиномицеты - одноклеточные микроорганизмы, относятся к прокариотам. Их клетки имеют такую же структуру, как бактерии: клеточную стенку, содержащую пептидогликан, цитоплазматическую мембрану; в цитоплазме расположены нуклеоид, рибосомы, мезосомы, внутриклеточные включения. Поэтому патогенные актиномицеты чувствительны к антибактериальным препаратам. В то же время они имеют сходную с грибами форму ветвящихся переплетающихся нитей, а некоторые актиномицеты, относящиеся к семейству стрентомицет, размножаются спорами. Другие семейства актиномицет размножаются путем фрагментации, то есть распада нитей на отдельные фрагменты.

Актиномицеты широко распространены в окружающей среде, особенно в почве, участвуют в круговороте веществ в природе. Среди актиномицетов есть продуценты антибиотиков, витаминов, гормонов. Большинство антибиотиков, применяемых в настоящее время, продуцируется актиномицетами. Это стрептомицин, тетрациклин и другие.

Патогенные представители актиномицетов вызывают у человека актиномикоз и нокардиоз. Это Actinomyces israelli, Nocardia asteroides и другие. Возбудители актиномикоза вне организма, на питательной среде представляют собой длинные ветвящиеся нити, местами распадающиеся на фрагменты. В организме человека патогенные актиномицеты образуют друзы - переплетающиеся нити в центре с отдельными отходящими в виде лучей нитями по периферии. Отсюда название: актиномицеты - лучистые грибы. Концы нитей, погруженные в ткань, утолщены, ослизнены и имеют иной химический состав, и, подобно капсуле бактерий, защищают микроб от фагоцитоза.

Спирохеты.

Спирохеты относятся к прокариотам. Имеют признаки, общие как с бактериями, так и с простейшими микроорганизмами. Это одноклеточные микробы, имеющие форму длинных тонких спирально изогнутых клеток, способны к активному движению. В неблагоприятных условиях некоторые из них могут переходить в форму цисты.

Исследования в электронном микроскопе позволили установить структуру клеток спирохет. Это цитоплазматические цилиндры, окруженные цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой, содержащей пептидогликан. В цитоплазме находятся нуклеоид, рибосомы, мезосомы, включения. Под цитоплазматической мембраной расположены фибриллы, обеспечивающие разнообразное движение спирохет - поступательное, вращательное, сгибательное.

Сапрофитные спирохеты имеются в окружающей среде. Несколько непатогенных видов являются постоянными обитателями организма человека. Патогенные для человека виды относятся к трем родам: Treponema, Borrelia, Leptospira. Они различаются по форме и расположению завитков. Трепонемы состоят из 8-12 одинаковых по величине завитков, положение которых при движении не меняется. Боррелии образуют 5-8 завитков, меняющихся при движении подобно движению змейки. Лептоспиры состоят из 40-50 очень мелких постоянных завитков, концы изогнуты в виде крючков и имеют утолщения. При движении концы лептоспир изгибаются в разные стороны, причем образуются форму в виде русской буквы С или латинской S. Спирохеты за исключением боррелий, плохо воспринимают анилиновые красители, поэтому их окрашивают по Романовскому-Гимза. По лучше всего наблюдать спирохеты в живом виде в темном поле зрения.

Патогенные представители спирохет: Treponema pallidum - вызывает сифилис, Borrelia recurrentis - возвратный тиф, Borrelia burgdorferi - болезнь Лайма, Leptospira interrogans - лептоспироз.

Грибы.

Грибы (Fungi, Mycetes) - эукариоты, низшие растения, лишенные хлорофилла, в связи с чем они не синтезируют органические соединения углерода, то есть это гетеротрофы, имеют дифференцированное ядро, покрыты оболочкой, содержащей хитин. В отличие от бактерий, грибы не имеют в составе оболочки пептидогликана, поэтому нечувствительны к пенициллинам. Для цитоплазмы грибов характерно присутствие большого количества разнообразных включений и вакуолей.

Среди микроскопических грибов (микромицетов) имеются одноклеточные и многоклеточные микроорганизмы, различающиеся между собой по морфологии и способам размножения. Для грибов характерно разнообразие способов размножения: деление, фрагментация, почкование, образование спор - бесполых и половых.

При микробиологических исследованиях наиболее часто приходиться сталкиваться с плесенями, дрожжами и представителями сборной группы так называемых несовершенных грибов.

Плесени образуют типичный мицелий, стелющийся по питательному субстрату. От мицелия вверх подымаются воздушные ветви, которые оканчиваются плодоносящими телами различной формы, несущими споры.

Мукоровые или головчатые плесени (Mucor) - одноклеточные грибы с шаровидным плодоносящим телом, наполненным эндоспорами.

Плесени рода Aspergillus - многоклеточные грибы с плодоносящим телом, при микроскопии напоминающим наконечник лейки, разбрызгивающей струйки воды; отсюда название "леечная плесень". Некоторые виды аспергилл используются в промышленности для производства лимонной кислоты и других веществ. Есть виды, вызывающие заболевания кожи и легких у человека - аспергиллезы.

Плесени рода Penicillum, или кистевики - многоклеточные грибы с плодоносящим телом в виде кисточки. Из некоторых видов зеленой плесени был получен первый антибиотик - пенициллин. Среди пенициллов есть патогенные для человека виды, вызывающие пенициллиоз. Различные виды плесеней могут быть причиной порчи пищевых продуктов, медикаментов, биологических препаратов.

Дрожжи - дрожжевые грибы (Saccharomycetes, Blastomycetes) имеют форму круглых или овальных клеток, во много раз крупнее бактерий. Средний размер дрожжевых клеток приблизительно равен поперечнику эритроцита (7-10 мкм). Отличительной морфологической особенностью дрожжей является отсутствие нитевидного мицелия и обычное размножение почкованием. На поверхности материнских клеток возникают отростки, которые, отделившись затем от материнской клетки, превращаются в самостоятельные новые особи. Кроме почкования, истинные дрожжи могут размножаться половым способом, образуя аски - половые споры.

Большинство видов дрожжей непатогенны. Их способность вызывать брожение широко используется в промышленности - в хлебопечении, виноделии, в получении спиртов и витаминов. Существуют патогенные дрожжевые грибы, вызывающие заболевания, например, Blastomyces dermatitidis - возбудитель бластомикоза, Pneumocystis carinii - возбудитель пневмоцистоза легких.

Несовершенные грибы не имеют специальных органов плодоношения. К ним относятся дрожжеподобные грибы и дерматомицеты.

Дрожжеподобные грибы, подобно истинным дрожжам, представляют собой круглые или овальные клетки, размножающиеся почкованием. Но есть два существенных признака, по которым их отличают при проведении микробиологических исследований: дрожжеподобные грибы, в отличие от истинных дрожжей, образуют псевдомицелий и не образуют половых спор. Дрожжеподобные грибы рода Candida могут быть обнаружены на слизистых оболочках здоровых людей. У новорожденных и грудных детей, у ослабленных больных они вызывают кандидоз - поражение слизистых оболочек, кожи, внутренних органов. Это заболевание может возникнуть вследствие экзогенного заражения. Но чаще кандидоз развивается как эндогенная инфекция при длительном лечении антибиотиками широкого спектра действия, которые, будучи направлены против бактерий - возбудителей заболевания, попутно подавляют рост бактерий - представителей нормальной микрофлоры организма, что ведет к дисбактериозу. Будучи эукариотамй, грибы Кандида нечувствительны к антибактериальным антибиотикам. Освободившись от антагонистического влияния бактерий, они безудержно размножаются и вызывают кандидозы. Наиболее часто возбудителями кандидозов у человека являются виды Candida albicans, C.tropicalis и другие.

Дерматомицеты являются возбудителями заболеваний кожи (греч. derma - кожа), волос, ногтей. Это трихофитон - возбудитель трихофи-тии, эпидермофитон - возбудитель эпидермофитии, микроспорой - возбудитель микроспории, ахорион - возбудитель парши. В волосах, чешуйках кожи, соскобах ногтей отрезки мицелия дерматомицстов хорошо видны, так как сильно преломляют свет.

Простейшие

Простейшие - Protozoa (греч. proto - начало, zoa - животное) - эукариоты, микроскопические одноклеточные животные организмы. По сравнению с бактериями характеризуются более сложным строением. У них имеются примитивные органы, такие, как ротовое и анальное отверстие, сократительные вакуоли, мионемы. Ядро дифференцированное. Оболочки, обособленной от протоплазмы, простейшие не имеют, хотя некоторые из них образуют пелликулу за счет уплотнения наружного слоя протоплазмы. Движение простейших осуществляется при помощи разных механизмов: перемещением протоплазмы, образующей псевдоподии (амебы), наличием жгутиков (жгутиковые) или ресничек (реснитчатые). При размножении проходят сложные циклы развития, с чередованием полового и бесполого цикла, в организме основного хозяина - переносчика инфекции и промежуточного хозяина - человека или животного. При этом на разных стадиях развития разные формы одного и того же микроорганизма могут настолько отличаться друг от друга, что против них применяются разные химиотерапевтические препараты. Например, на половые и бесполые формы плазмодиев малярии избирательно действуют разные препараты.

Среди амеб патогенной для человека является дизентерийная амеба (Entamoeba histolytica), первооткрыватель ее - Ф.А. Леш (1875 г.). К жгутиковым относятся: лямблии - Lamblia intestinalis (Д.Ф. Лямбль, 1859 г.), трихомонады - Trichomonas hominis, обитатель кишечного тракта, Trichomonas vaginalis - паразит урогенитального тракта, возбудитель распространенного заболевания человека; лейшмании - Leshmania tropica, L.donovani, L.braziliensis; трипаносомы - Trypanosoma gambiense. К классу споровиков, названных так по одной из стадий развития, относят четыре вида плазмодиев малярии и токсоплазмы -Toxoplasma gondii - возбудитель токсоплазмоза. К реснитчатым относится кишечный балантидий - Balantidium coli.

Изучение морфологии простейших может производиться в живом состоянии, при этом можно наблюдать их движение. Для исследования в окрашенном виде простая окраска непригодна, так как она не позволяет выявить сложную структуру этих микроорганизмов. Применяется метод окраски по Романовскому-Гимза, дифференцирующий отдельные элементы клетки.

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ МИКРОСКОПИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОБОВ

Методы микроскопического исследования используют для изучения формы и структуры клетки, подвижности микробов.

Микроскопия в световом оптическом микроскопе

Световой микроскоп состоит из механической и оптической части. Механическая часть микроскопа - это штатив, состоящий из основания и колонки, к которой прикреплены тубус и предметный столик. В колонке имеются две винтовые системы для установки тубуса. Макрометрический винт служит для установки на фокус при слабых увеличениях (объектив х8), а при сильных объективах (х40, х90) - доя первоначальной, грубой установки. Для более точной установки служит микрометрический винт. Это одна из наиболее хрупких частей микроскопа, и работа с ним требует особой осторожности.

Оптическая часть микроскопа состоит из осветительного аппарата, объективов и окуляров.

Осветительный аппарат расположен под предметным столиком. В большинстве микроскопов свет отражается от зеркала и, пройдя через линзы конденсора, фокусируется в плоскости препарата. В современных микроскопах освещение достигается с помощью вмонтированного в микроскоп источника света.

Объективы представляют собой систему линз в металлической оправе. Передняя (фронтальная) линза - самая маленькая. От нее главным образом зависит увеличение микроскопа. Расположенные за ней линзы называются коррекционными, так как они предназначены для устранения недостатков оптического изображения.

На оправе объективов обозначается создаваемое ими увеличение: х8, х40, х90. Объективы х 8 (малое увеличение) и х40 - это сухие объективы. При работе с ними между фронтальной линзой объектива

и препаратом находится воздух. При этом, вследствие разницы показателей преломления стекла (1,52) и воздуха (1,0), часть световых лучей, проходя через оптически неоднородные среды, рассеивается. При микроскопии с объективами х 8 и х 40 это не имеет значения. Но микробы настолько малы, что для их исследования необходимо более сильное увеличение, которое дает объектив х90. При работе с этим объективом рассеивание света должно быть устранено. Для этого между предметным стеклом и линзой помещают каплю жидкости, показатель преломления которой равен показателю преломления стекла. Более всего для этого подходит кедровое масло или его заменители. При микроскопии объектив погружают в каплю масла, поэтому объектив называют иммерсионным (лат. immercio - погружение), а масло - иммерсионным маслом. Иммерсионный объектив требует особо осторожного обращения. Фронтальная линза имеет настолько короткое фокусное расстояние до исследуемого объекта, что опускать объектив нужно медленно, глядя сбоку, чтобы не раздавить препарат, что связано с порчей линзы.

Окуляры имеют две линзы: верхняя называется глазной г нижняя -собирательной. Окуляры обозначают по тому увеличению, которое они дают, например: х7, х10, х15. Окуляр дает увеличение, ничего не добавляя в деталях изображения, данного объективом.

Чтобы определить общее увеличение микроскопа, нужно умножить увеличение объектива на увеличение окуляра.

Разрешающая способность светового микроскопа - это наименьшее расстояние между точками в препарате, которые еще не сливаются в одно изображение. Для светового микроскопа эта способность зависит от длины волны видимого света, и предел разрешения оптического микроскопа равен 0,2 мкм.

Изображение объекта в микроскопе увеличенное и обратное.

Правила микроскопии с иммерсионной системой

Работать сидя.

Поднять конденсор до уровня предметного столика.

Глядя на верхнюю поверхность конденсора, осветить поле зрения.

Установить иммерсионный объектив.

На предметный столик поместить препарат с каплей Иммерсионного масла.

Глядя сбоку, осторожно опустить тубус с помощью макровинта до соприкосновения объектива с маслом и чуть-чуть погрузить его в масло, не доводя до соприкосновения с предметным стеклом.

Глядя в окуляр, медленно поднимать макровинтом тубус до получения изображения в поле зрения. Не разрешается опускать макровинтом тубус, глядя в окуляр.

Микровинтом, вращая его не более чем вполоборота, найти ясное изображение и рассматривать его. Держать оба глаза открытыми. Левой рукой передвигать препарат для общего обозрения. Если предметный столик подвижный - можно для более мелких и точных движений пользоваться боковыми винтами. Правой рукой слегка вращать микровинт, чтобы препарат всегда был в фокусе.

После просмотра препарата поднять тубус при помощи макровинта, снять препарат, установить объектив х8, вытереть мягкой салфеткой масло с иммерсионного объектива.

Микроскопия в темном поле. Для микроскопии в темном поле применяются особые конденсоры, у которых центральная часть линзы затемнена, за исключением узкой полоски по периферии. Кроме того, боковые поверхности конденсора представляют собой не прямую линию, а параболу. Внутренняя поверхность такого темнопольного параболоид-конденсора зеркальная. Лучи света попадают в темнопольный конденсор только через узкую полоску по периферии линзы. Затем они отражаются от его зеркальной поверхности и, если в поле зрения нет никакого объекта, то ни один луч не попадает в объектив. Поле зрения кажется совершенно черным. Если же в поле зрения есть какие-то объекты, например, микробы, то лучи, отраженные от них, попадают в объектив, и их можно видеть светящимися на темном фоне.

Это явление подобно тому, которое наблюдается в комнате с затемненными окнами, когда в косых лучах света, проникающих через щель, видны танцующие пылинки, при обычном освещении невидимые (феномен Тиндаля).

За неимением специального темнопольного конденсора можно обычный конденсор превратить в темнопольный, поместив между его линзами кружок черной бумаги, немногим меньше по диаметру линзы конденсора. В таком "приспособленном" конденсоре можно наблюдать достаточно ясно живых светящихся микробов, но поле зрения будет не черным, а серым.

Преимущество микроскопии в темном поле зрения состоит в том, что при этом можно видеть объекты более мелкие. Кроме того, в темном поле зрения лучше наблюдать в живом состоянии такие микробы, как лептоспиры, которые в водной среде не преломляют света и поэтому в проходящем свете совершенно прозрачны.

Фазовоконтрастная микроскопия. При прохождении через непрозрачные объекты, такие как окрашенные препараты микроорганизмов, амплитуда световых волн уменьшается. Такие изменения, называемые амплитудными, улавливаются человеческим глазом. Поэтому окрашенные микробы видны в обычном микроскопе.

Объекты, разные по плотности, но одинаковые по прозрачности, не меняют амплитуды световых волн, а только изменяют фазу. Такие фазовые изменения человеческий глаз не способен уловить. Поэтому живые клетки микробов, их структурные элементы в живом состоянии прозрачны в проходящем свете и для нас невидимы.

Фазовоконтрастный микроскоп превращает фазовые изменения в амплитудные. Поэтому структурные элементы с различной плотностью выглядят как более светлые и более темные. Это позволяет наблюдать не только фазовые объекты целиком, но и структурные элементы микробов.

Фазовоконтрастная микроскопия осуществляется с помощью обычного светового микроскопа, в котором заменяют объективы и конденсор на специальные - фазово-контрастные.

Люминесцентная микроскопия. Люминесценция - это свечение объекта за счет поглощенной световой энергии коротковолновой или ультрафиолетовой части спектра. Большинство микроорганизмов не обладает собственной люминесценцией, поэтому пользуются наведенной люминесценцией путем обработки микробов флюорохромами. Чаще всего используют акридин-оранж, аурамин, изоцианат флюоресцеина, которые светятся под влиянием ультрафиолетовых лучей. Некоторые флюорохромы избирательно связываются с определенными структурами, такими, как ядро, цитоплазма, включения. Таким образом, можно дифференцировать эти структуры. Препараты, обработанные флюорохромами, микроскопируют в специальных люминесцентных микроскопах, в которых объекты исследуются в ультрафиолетовых лучах.

Люминесцентная микроскопия используется для реакции иммунофлюоресценции (РИФ). В этой реакции для определения вида микробов препарат-мазок из исследуемого материала обрабатывают специфической антисывороткой, соединенной с флюорохромом. Если в материале содержатся микробы, соответствующие антисыворотке, то при микроскопии препарата в люминесцентном микроскопе наблюдается свечение микробов.

Электронная микроскопия. Возможности разрешающей способности светового микроскопа ограничены не качеством линз, а длиной волны видимого света. В электронном микроскопе вместо световых лучей используется поток электронов. Источником электронов является раскаленная вольфрамовая нить. Роль линз в электронном микроскопе выполняет круговое магнитное поле. Вначале электроны попадают в магнитный конденсор и сходятся в одной точке на рассматриваемый предмет, лежащий в безвоздушной среде на тонкой пленке коллодия. Затем пучок электронов проходит через объективную и проекционные линзы. Наблюдатель видит не поток электронов, а изображение, которое проецируется на флуоресцирующий экран или фотографическую пленку. Возникновение изображения на экране обусловлено тем, что различные части исследуемого объекта обладают неодинаковой проницаемостью для электронов. Электроноплотные участки выглядят темными, электронопрозрачные - светлыми.

С помощью электронного микроскопа можно наблюдать вирусы, детали морфологии микробов. Используя метод иммуноэлектронной микроскопии (ИЭМ), можно видеть и сфотографировать вирусы с присоединившимися к ним антителами.

ГЛАВА 4 ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Как все живые существа, микроорганизмы осуществляют процессы питания, дыхания, роста и размножения. В то же время для микроорганизмов характерны некоторые особенности, отличающие их от высших организмов. Будучи одноклеточными, микроорганизмы самостоятельно осуществляют все жизненные процессы, и регуляция этих процессов заложена в каждой клетке.

Химический состав микроорганизмов

Значительную часть клетки составляет вода - от 70 до 85% от общей массы. Вода служит средой, в которой протекают разнообразные химические процессы микробной клетки. В ней растворяются кристаллоиды, диссоциируют электролиты, формируются коллоиды. Кроме того, сама вода как химический компонент, непосредственно участвует в реакциях гидролиза белков, углеводов и липоидов. Количество воды в клетке постоянно, и это постоянство регулируется цитоплазматической мембраной.

Сухой остаток микробной клетки составляет от 15% до 30%. Из них половина приходится на белки. Это простые белки - протеины и сложные белки - протеиды. Аминокислотный состав белков характерен для различных видов микроорганизмов. Белки входят в состав ферментов. Белками являются экзотоксины, с которыми связана патогенность целого ряда микробов; белками являются многие антигены, с ними связана специфичность микробов.

Нуклеиновые кислоты являются важнейшими компонентами микробов. В ДНК зашифрована вся наследственная информация клетки, а РНК участвует в процессах считывания информации, передачи се на рибосомы и синтеза в них белка - соответственно: матричная РНК (мРНК), рибосомальная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК).

Установлено, что состав нуклеотидов ДНК, а именно соотношения гуанин + цитозин/аденин + тимин является стабильным признаком. Поэтому его можно использовать для определения таксономического положения бактерий. Например, у стафилококков процентное содержание Г+Ц-28%-39%, а у сходных с ними микрококков Г+Ц=65%-83%, следовательно, они принадлежат к разным родам.

Липиды у бактерий, не содержащих жировые вещества в виде включений, составляют около 10% сухого остатка. У бактерий, имеющих особые жировые включения, например, у микобактерий туберкулеза, количество липидов достигает 40%, что обеспечивает этим бактериям устойчивость к кислотам, щелочам, спиртам. В состав липидов входят нейтральные жиры, фосфолипиды и свободные жирные кислоты. Фосфолипиды являются составной частью цитоплазматической мембраны, принимают участие в транспорте веществ. Липиды входят в состав липополисахарида клеточной стенки грамотрицательных бактерий - это их эндотоксин и О-антиген.

Углеводы выполняют в клетке пластическую роль и являются источником энергии, необходимым для обменных процессов. Количество углеводов в клетке непостоянно даже у одной и той же бактерии (от 10% до 30%) и зависит не только от рода и вида, но и от условий развития микробов. Бактерии содержат моносахариды, дисахариды, полисахариды. У некоторых бактерий полисахаридный антиген настолько специфичен, что позволяет разграничить отдельные типы внутри вида. Например, капсульный антиген пневмококков, поверхностный С-антиген стрептококков.

Минеральные вещества микроорганизмов разнообразны, количество и состав их зависит от вида микробов и состава питательной среды. Основные элементы, необходимые для жизнедеятельности клетки - натрий, калий, фосфор, кальций, магний, железо, медь, сера, хлор, кремний. Некоторые металлы - железо, кальций - входят в состав ферментов. Фосфор входит в состав аденозинтрифосфорной кислоты, которая является своеобразным аккумулятором энергии. Ионы металлов участвуют в поддержании постоянства осмотического давления, реакции среды (рН) в клетке. Реакция цитоплазмы слабощелочная. Заряд на поверхности бактерий - отрицательный, у спирохет - положительный. Благодаря одноименному заряду, бактерии в физрастворе образуют равномерно-мутную взвесь. Склеивание их между собой и образование хлопьев наблюдается при реакции агглютинации, а также при потере поверхностного заряда клетки, например, у шероховатых R-форм бактерий.

Метаболизм (обмен веществ) микроорганизмов

Питание микробов (конструктивный метаболизм).

Как у всего живого, метаболизм микроорганизмов состоит из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих, но противоположных процессов - анаболизма, или конструктивного метаболизма, и катаболизма, или энергетического метаболизма.

Обмен веществ у микроорганизмов имеет свои особенности.

1) Быстрота и интенсивность обменных процессов. За сутки микробная клетка может переработать такое количество питательных веществ, которое превышает ее собственный вес в 30-40 раз.

2) Выраженная приспособляемость к изменяющимся условиям внешней среды.

3) Питание осуществляется через всю поверхность клетки. Прокариоты не проглатывают питательные вещества, не переваривают их внутри клетки, а расщепляют их вне клетки с помощью экзоферментов до более простых соединений, которые транспортируются в клетку.

Для роста и жизнедеятельности микроорганизмов обязательно наличие в среде обитания питательных материалов для построения компонентов клетки и источники энергии. Для микробов необходимы вода, источники углерода, кислорода, азота, водорода, фосфора, калия, натрия и других элементов. Требуются также микроэлементы: железо, марганец, цинк, медь для синтеза ферментов. Различные виды микробов нуждаются в тех или иных факторах роста, таких, как витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания.

В зависимости от способности усваивать органические или неорганические источники углерода и азота микроорганизмы делятся на две группы - аутотрофов и гетеротрофов.

Аутотрофы (греч. autos - сам, trophic - питающийся) получают углерод из углекислоты (СО₂) или ее солей. Из простых неорганических соединений они синтезируют белки, жиры, углеводы, ферменты.

Гетеротрофы (греч. heteros - другой, trophic - питающийся) используют сложные органические соединения, такие как углеводы, спирты, аминокислоты, органические кислоты. Среди гетеротрофных микроорганизмов различают сапрофитов (греч. sapros - гнилой, phyton - растение) и паразитов. Сапрофиты используют мертвые органические соединения. Они широко распространены в природе, разлагают органические вещества, отбросы, участвуя таким образом в санитарной очистке окружающей среды. Паразиты живут и размножаются в тканях человека, животных, растений.

Микробы могут изменять свой тип питания с паразитического на сапрофитный. Их можно культивировать вне организма, на питательных средах. Среди прокариотов исключение составляют риккетсии и хламидии, которые могут жить только в живых клетках хозяина. Их называют строгими, или облигатными паразитами (лат. obligatus - обязательный). Облигатными паразитами являются также все вирусы.

Транспорт питательных веществ

Через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану внутрь клетки прокариотов проникают только небольшие молекулы, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры вначале расщепляются экзоферементами до более простых соединений, которые транспортируются внутрь клетки.

Проникновение питательных веществ в клетку происходит с помощью различных механизмов.

Пассивная диффузия - вещества поступают в клетку за счет диффузии по градиенту концентрации, то есть вследствие того, что концентрация вне клетки выше, чем внутри.

Облегченная диффузия - также совершается по градиенту концентрации, но с участием ферментов-переносчиков, так называемых пермеаз. Этот фермент присоединяет к себе молекулы вещества на внешней стороне цитоплазматической мембраны и отдает его на внутренней стороне в неизмененном виде. Затем свободный переносчик перемещается снова к наружной стороне мембраны, где связывает новые молекулы вещества. При этом каждая пермеаза переносит какое-то определенное вещество.

Эти два механизма переноса не требуют энергетических затрат.

Активный перенос происходит также с участием пермеаз, причем осуществляется против градиента концентрации. Микробная клетка может накопить вещество в концентрации, в тысячи раз превышающих ее во внешней среде. Такой процесс требует затрат энергии, то есть расходуется АТФ.

Транслокация радикалов - это четвертый механизм передачи веществ. Это активный перенос химически измененных молекул, с участием пермеаз. Например, такое простое вещество, как глюкоза, переносится в фосфорилированном виде.

Выход веществ из бактериальной клетки происходит путем пассивной диффузии или путем облегченной диффузии с участием пермеаз.

Ферменты

Ферменты - катализаторы биологических процессов. Характерным свойством ферментов является их специфичность. Каждый фермент участвует только в определенной реакции с определенным химическим соединением.

Ферменты, которые выделяются бактериальной клеткой в окружающую среду и осуществляют внеклеточное переваривание, называются экзоферментами. К экзоферментам относится также беталактамаза, которая разрушает пенициллин и другие бета-лактамные антибиотики, защищая бактерии от их действия.

Эндоферменты участвуют в процессах метаболизма внутри клетки.

Для бактерий, в силу их малых размеров, характерна высокая степень саморегуляции продукции ферментов. В этом отношении ферменты можно разделить на конститутивные и адаптивные. Конститутивные ферменты продуцируются клеткой постоянно. Адаптивные ферменты, в свою очередь, подразделяются на индуцируемые и ингибируемые. Продукция индуцируемых ферментов происходит в присутствии субстрата. Например, ферменты, расщепляющие лактозу, образуются в клетке в только присутствии этого углевода. Продукция ингибируемых ферментов, напротив, подавляется присутствием в среде конечного субстрата в достаточно большой концентрации (например, трип-тофана).

Многие патогенные бактерии, кроме ферментов обмена, выделяют ферменты, являющиеся факторами вирулентности. Например, такие ферменты, как гиалуронидаза, коллагеназа, дезоксирибонуклеаза, нейраминидаза способствуют проникновению и распространению патогенного микроба в организме.

Способность бактерий продуцировать определенные ферменты -признак настолько постоянный, что его используют для идентификации, то есть определения вида бактерий. Определяют сахаролитические свойства (ферментацию углеводов) и протеолитические свойства (ферментацию белков и пептона).

Для микробов характерна высокая ферментативная активность. Это используется в промышленности. В медицине находят применение такие лечебные средства, как стрептокиназа (фибринолизин стрептококков), террилитин (протеаза Aspergillus terricola). Ферменты микробного происхождения - липазы и протеазы, входящие в состав моющих средств и стиральных порошков, расщепляют белковые и жировые загрязнения до воднорастворимых веществ, которые легко смываются водой.

...