Основы микробиологии и иммунологии

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ШАКАРИМА

КУРС ЛЕКЦИЙ

Дисциплины «Микробиология»

для специальности «Агрономия» очное отделение

2012



ГЛОССАРИЙ

АКР - аудиторная контрольная работа

ГСР - график самостоятельной работы

СРС - самостоятельная работа студента

СРСП - самостоятельная работа студента под руководством преподавателя

ЛК - лекции

ЛБ - лабораторные занятия

Гр (-) - грамотрицательные бактерии

Гр (+) - грамположительные бактерии

Аг - антиген

Aт - антитело

ЛЕКЦИЯ 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ

1.1 Предмет и задачи микробиологии

«МИКРОБИОЛОГИЯ» происходит от греческих слов «micro» -малый, «bios» - жизнь и «logos» - наука (учение). Таким образом, микробиология является наукой о жизни микроскопически малых существ микроорганизмов, невидимых невооруженным глазом.

Микробиология - наука о мельчайших, невидимых невооруженным глазом организмах, названных микробами или микроорганизмами. Она изучает их строение (морфологию), закономерности их жизни и развития (физиологию), роль в различных процессах (круговорот веществ в природе, гниение, брожение) происходящих в природе, использование микробов в тех или иных областях жизни и деятельности человека, а также изменения , вызываемые ими в организме людей, животных, растений, знакомит с методами устранения их вредного действия.

Предметом изучения микробиологии являются бактерии, плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, риккетсии, микоплазмы, вирусы. Но поскольку вирусы абсолютно не могут существовать без живого организма, изучением их занимается самостоятельная наука, называемая «вирусологией». О вирусах более подробно в последующих лекциях.

1.1.1 Полезные свойства микроорганизмов

1. Микробы являются санитарами в природе (гниение - микробиологический процесс, его вызывают сапрофитные микробы)

2. Микроорганизмы используют для получения продуктов питания (молочнокислых продуктов, кормовых белков, хлеба, алкогольных напитков - пива, вина, спирта)

3. Микроорганизмы используют для получения биологически активных веществ - ферментов, гормонов, витаминов, антибиотиков, гибберилинов, аминокислот, органических кислот и т.д.

4. Микроорганизмы могут быть источником электрической энергии

5. Микробы способны извлекать ионы металлов из полезных руд.

6. Микроорганизмы принимают участие в пищеварении животных и человека.

7. Патогенные микроорганизмы используют для профилактики инфекционных болезней, путем получения из них вакцинных штаммов. Ослабленные патогенные микробы не вызывают заболевания, а напротив, стимулируют формирование иммунитета.

Препараты, приготовленные из убитых или ослабленных микробов получили название - вакцины. (Слово вакцина произошло от латинского Вакка - корова. Дженнер. Оспа. Впервые аттенуацию микробов разработал Л.Пастер, когда готовил вакцину против бешенства)

1.1.2 Вредные свойства микроорганизмов

1. Патогенные микроорганизмы вызывают инфекционные заболевания (сибирская язва, бруцеллез, туберкулез, сальмонеллез и др.)

2. Микроорганизмы могут вызывать порчу продуктов питания, могут быть вредителями на различных производствах, разлагают древесину, волокна текстильного сырья - хлопка, шерсть, вызывают коррозию металлов. Микробы участвуют в процессах разложения каучука, нефти, бумаги, текстиля и пластмасс.

Полезных микроорганизмов большинство, Лишь 1:30000 часть от всех известных микробов составляют вредные микроорганизмы.

Направления микробиологии.

Развитие микробиологии, как и других научных дисциплин, находится в тесной зависимости от способов производства, запросов практики, общего прогресса науки и техники.

В настоящее время в соответствии с потребностями общества микробиология дифференцировалась на:

-общую микробиологию;

-медицинскую;

сельскохозяйственную;

-ветеринарную;

-промышленную

Фундаментом (базой) для всех перечисленных направлений является общая микробиология, которая изучает морфологию, физиологию, распространение и сохранение микробов во внешней среде, генетику микроорганизмов, вопросы систематики и классификации их, роль микробов в круговороте веществ в природе, патогенность и вирулентность, роль микробов в инфекционном процессе, вопросы иммунитета.

Задачи микробиологии будут зависеть от направления. Задачи общей микробиологии изложены в определении.

1.2 Основные этапы развития микробиологии

В развитии микробиологии выделяют два этапа:

1. Морфологический - связан с именем Антона Левенгука (1632-1723), который создал первый микроскоп и описал основные формы микробов.

2. Физиологический - на этом этапе происходило более глубокое изучение жизнедеятельности микробов.

- Луи Пастер (1822-1895) -французский ученый;

- Роберт Кох (1843-1910) - немецкий ученый,

- Илья Ильич Мечников(1845-1916) - русский ученый;

- Пауль Эрлих (1854-1916) немецкий ученый,

- Сергей Николаевич Виноградский (1856-1953);

- Василий Леонидович Омелянский (1867-1928)

- Дмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920);

- Н.Ф. Гамалея (1859-1949);

- Г.Н.Габричевский (1860-1907);

- А.Флеминг(1929г. - открыл пенициллин),

- В.Н Шапошников (1884-1968) (производство молочной кислоты при помощи молочно-кислых бактерий),

- Я.Я.Никитинский (1878-1941)(консервное производство)

3. Вторая половина 20 столетия - новый этап, связан с рождением молекулярной генетики и молекулярной биологии. Носитель гена - ДНК.

Понятийный аппарат (тезаурус) к теме 1

1. Аттенуация

2. Вакцина

3. Вирусология

4. Микробиология

5. Направления микробиологии (общая микробиология, ветеринарная микробиология, медицинская микробиология, сельскохозяйственная микробиология, промышленная микробиологи, пищевая микробиология)

6. Патогенные микроорганизмы

7. Предмет микробиологии (бактерии, плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, риккетсии, микоплазмы)

8. Сапрофиты

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает дисциплина «микробиология и вирусология»?

2. Предмет микробиологии.

3. Что изучают конкретные направления микробиологии (общая, медицинская, сельскохозяйственная, ветеринарная, промышленная, пищевая генетическая и др.)?

4. Морфологический этап в развитии микробиологии.

5. Физиологический этап в развитии микробиологии.

6. Полезные свойства микроорганизмов.

7. Вредные свойства микроорганизмов.

8. Вклад ученых в развитие микробиологии.

ЛЕКЦИЯ 2. МОРФОЛОГИЯ, СИСТЕМАТИКА И СТРОЕНИЕ ПРОКАРИОТ

2.1 Систематика, классификация и номенклатура бактерий

В настоящее время все микроорганизмы делятся на три царства:

1. Прокариоты - безядерные клетки, ядерные компоненты неотделены от цитоплазмы оболочкой. К ним относят бактерии и сине-зеленые водоросли.

2. Эукариоты - ядерные организмы, ядерная мембрана отграничивает ДНК от цитоплазмы. К ним относят микроскопические водоросли, микроскопические грибы(плесени и дрожжи).

3.Царство вирусов. К ним относят возбудителей инфекционных болезней и бактериофаги(вирусы бактерий).

Систематика (токсономия) - наука, занимающаяся вопросами классификации, номенклатуры и идентификации микроорганизмов.

Под классификацией микроорганизмов понимают распределение их по группам (таксонам) на основании общих признаков. Каждая группа имеет свое название: царств - regnum, отдел - divisio, секция - section, класс - ciassis, порядок - ordo, семейство - familia, род - genus, вид - species. Самой мелкой единицей классификации является вид - группа микроорганизмов, наделенная общими стабильными признаками и происходящая от общего предка.

Вид подразделяют на подвиды или варианты. Подвиды в свою очередь также могут подразделяться на основании отличия какого-либо признака - антигенного - серовар, биохимического - биовар, отношения к фагам - фаговар, патогенностью - патовар.

В микробиологии пользуются терминами «вид», «штамм», «клон», «культура».

Вид - это совокупность особей, имеющих общее происхождение и генотип, морфологические, физиологические и др. признаки, способные в определенных условиях вызывать одинаковые процессы.

Культура - это микроорганизмы, выделенные от животного, человека, растений и т.д. и выращенные на питательных средах. Культуры микробов могут быть чистыми ( из одного вида микроорганизмов) или смешанными (из нескольких видов)

Штамм - культура одного и того же вида, но выделенная из различных объектов и поэтому отличающаяся незначительным изменением свойств.

Клон - культура микроорганизмов, выращенная из одной микробной клетки на искусственной питательной среде. Всё потомство обладает совершенно одинаковыми свойствами.

Для того чтобы отнести микроорганизм, к какой либо группе, необходимо определить основные его признаки: морфологию, подвижность, окраску по Грамму, наличие капсулы и способность образовывать эндоспору, культурально-биохимические свойства и некоторые другие признаки.

Идентификация - отнесение микроорганизмов к определенному таксону (виду) на основании конкретных признаков.

Номенклатура - система наименований, применяемых в определенной области знаний.

Название бактериям присваивается в соответствии с правилами Международного кодекса номенклатуры бактерий введенного с 1 января 1980 года. Принята двойная номенклатура, предложенная еще в 18 в. К. Линнеем. Название бактериям дается на латинском языке и состоит из двух слов. Первое слово обозначает род, к которому принадлежит данная бактерия, второе - название вида. Родовое название пишется с прописной буквы, видовое - со строчной.

В настоящее время классификации микроорганизмов основана на комплексе следующих признаков:

1.Фенотипические признаки - внешние признаки. Не связанные с наследственностью и генотипом. Фенотипические признаки определяют место микробов в классификации по их сходству по морфологическим признакам, культуральным, физиологическим, тинкториальным и др.Например, по классификации Красильникова микроорганизмы делятся на три группы(по внешнему виду):

1 - шаровидные(5 видов)

2 - палочковидные

3 - извитые

2. генотипические признаки. В основе геносистематики лежит изучение нуклеотидного состава ДНК и наиболее важных характеристик генома (величина, объем, молекулярная масса и др.). Генетическое родство между бактериями определяют по степени гомологии ДНК. Чем больше идентичных генов, тем выше степень гомологии ДНК и ближе генетическое родство. Т.е. генотипические признаки определяют место микробов в классификации по родству (происхождению).

Существует второй подход к систематике бактерий, преследующий практические цели, т.е. служит для идентификации бактерий - установления принадлежности к определенному виду. Для этого созданы определители, которыми пользуются при определении вида того или иного микроорганизма.

К международным определителям бактерий относится «Определитель бактерий 9», вышедший в свет в 1993 году. В составе 4 отделов прокариот выделено 35 групп родов. Отделы классифицируются по наличию клеточной стенки (пептидогликана).

1. Грациликуты (или тонкокожие) - грамотрицательные бактерии

2. Фирмикуты (или тостокожие) - грамположительные бактерии

3. Тенерикуты (или нежнокожие) - организмы, не имеющие клеточной стенки. Микоплазмы.

4. Мендосикуты - бактерии, большинство из которых хотя и имеют клеточную стенку, но она не содержит пептидогликан. Некоторые грамположительные. Другие грамотрицательные - сюда относятся архебактерии.

2.2 Морфология и строение бактерий

2.2.1 Постоянные элементы

К постоянным элементам микробной клетки относят: оболочку, цитоплазму и нуклеоид (ядерное вещество).

К непостоянным элементам относят капсулу, спору и жгутики.

Каковы их функции?

Постоянные элементы. Оболочка состоит из трех слоев: наружной мембраны, клеточной стенки и внутренней мембраны или цитоплазматической оболочки.

Наружная мембрана - это вязкий слой слизи, состоящий из полисахаридов (у кокков) или полипептидов (у бацилл). Выполняет защитную функцию, предохраняет клетку от неблагоприятных факторов внешней среды (температуры, высушивания, давления и т.д.).

Клеточная стенка - это основной слой (имеется только у бактерий), он придает клетке форму и определяет ее морфологические особенности. Отсюда кокки, палочки или извитые формы. Выполняет защитную функцию.

Кроме того, через нее поступают питательные вещества внутрь клетки, т.е. участвует в обмене веществ.

Основу клеточной стенки составляет пептидогликан или муреин (от лат.murus - стенка), являющийся каркасом бактериальной клетки и имеющий сетчатую структуру. Химический состав и ультраструктура клеточной стенки бактерий лежит в основе разного окрашивания бактерий по методу Грамма и деления их на грамположительные и грамотрицательные. Этот метод предложен в 1884 г. Х.Грамом и используется для дифференцирования бактерий.

Цитоплазматическая мембрана. Полупроницаемая оболочка, отделяющая цитоплазму от клеточной стенки. В химическом отношении это белково-липидный комплекс, состоящий из 50-75% белков и 15-50% липидов(90% фосфолипидов). Через цитоплазматическую мембрану осуществляется поступление питательных веществ в клетку и выход продуктов метаболизма наружу - является осмотическим барьером клетки. При нарушении осмотического давления наступает кариопикноз (разбухание) или кариолизис (разрушении).

Мембранными образованиями у прокариот являются тилакоиды, фикобилисомы, аэросомы, хлоросомы и карбоксисомы.(стр 62-63. Сидоренко О.Д., Борисенко Е.Г., Ванькова А.А., Войно Л.И. Микробиология: Учебник для агротехнологов. - М.: ИНФА-М,2005. - 287с.)

Цитоплазма - безоболочечная коллоидная часть клетки с зернистой структурой. Основную массу гранул состовляют рибосомы, включения. Центральную часть цитоплазмы занимает ядерный аппарат - нуклеоид.

Нуклеоид - ядерное вещество, генетический аппарат микробной клетки. Представлен молекулой ДНК, сосредоточенной в ограниченных пространствах цитоплазмы, не имеющей ядерной оболочки в отличие от эукариот. Нуклеоид обеспечивает видовую принадлежность, участвует при размножении бактериальной клетки.

Помимо молекулы ДНК (единственной хромосомы) в клетках бактерий обнаружены внехромосомные генетические элементы, называемые плазмидами. Плазмиды это небольшие ковалентнозамкнутые кольцевые молекулы ДНК, содержащие 1500-40000 пар нуклеотидов.

Плазмиды могут контролировать половой процесс у бактерий, множественную устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов - веществ белковой природы, способных вызывать гибель близкородственных видов бактерий. Плазмиды играют важную роль в эволюции прокариот, так как придают им дополнительные свойства, способствующие их выживанию.

2.2.2 Непостоянные элементы (Капсула, спора и жгутики)

Капсула - не является обязательной структурой клетки. Потеря капсулы не приводит к гибели. Микробная клетка продолжает расти и развиваться. Например, сибиреязвенный вакцинный штамм СТИ, не что иное как безкапсульный вариант сибиреязвенной бациллы. Капсула образуется при попадании патогенного микроба в организм. Она выполняет защитную функцию (от ферментных систем, макрофагов, микрофагов). Микробы, образующие капсулы вызывают остропротекающие заболевания (сибирская язва - B. antracis, диплококковая пневмония - Str. pneumonia; газовая гангрена - Cl. perfringens). Некоторые непатогенные микроорганизмы, такие как лейконосток (вредитель сахарного производства) образует зооглеи - скопления бактерий, окруженных общей капсулой.

Спора - это стадия покоя в жизненном цикле бактериальной клетки. Споры образуются при попадании бактерий во внешнюю среду, в условия неблагоприятные для жизнедеятельности. Споры устойчивы к физическим, химическим веществам (кислотам и щелочам), высушиванию, действию ядовитых веществ.

Жгутики - образованы белком флагелином. Являются средством передвижения. Встречаются у палочковых форм и извитых и лишь в единичных случаях у кокковых форм. Патогенные свойства реализуются за счет адгезии - прилипания к ворсинкам кишечника. Кроме жгутиков на поверхности клеток могут быть фимбрии. Это прямые полые цилиндры, отходящие от цитоплазматической мембраны. Они образованы белком пилином. Принимают участие в конъюгации. С помощью их образуется мостик между двумя клетками, через который происходит передача генетической информации.

Таким образом, непостоянные элементы микробной клетки являются дифференцирующими признаками бактерий.

Раньше все палочковидные формы назывались бациллами (лат.bacillus-маленькая палочка). После 1875 г., когда немецкий ботаник Ф. Кон открыл существование спор у так называемой сенной палочки, палочковидные формы бактерий, образующие споры, стали именовать бациллами, а не образующие споры - бактериями.

Понятийный аппарат (тезаурус) к теме 2

1. Адгезия

2. Вид, культура чистая, культура смешанная, клон, штамм

3. Систематика (таксономия): классификация микроорганизмов (грациликуты, фирмикуты, тенерикуты, мендосикуты); номенклатура, идентификация

4. Постоянные элементы бактерий (клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму, нуклеоид (ядерное вещество), рибосомы, мезосомы). (Грамположительные бактерии. Грамотрицательные бактерии)

5. Непостоянные элементы бактерий (капсула, эндоспора и жгутики)

6. Формы микроорганизмов (кокки, бактерии, извитые)

Вопросы для самоконтроля

Систематика, классификация и номенклатура микроорганизмов. «Вид», «штамм», «клон» микроорганизмов. Постоянные (нуклеоид, цитоплазма, оболочка) и непостоянные (спора, капсула, жгутики) элементы бактерий.

ЛЕКЦИЯ 3. МОРФОЛОГИЯ, СИСТЕМАТИКА И СТРОЕНИЕ ЭУКАРИОТНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

3.1 Морфология и строение плесневых грибов

Грибы - безхлорофильные низшие эукариотические хемоорганотрофные организмы. Грибы это большая группа одно- или многоклеточных организмов, которым присущи как признаки растений, так и животных. Различают грибы - паразиты, грибы - сапрофиты, грибы - симбионты.

Грибы - паразиты поражают ткани человека, животных и растений. Из известных 100000 видов грибов, для человека патогенны не более 400. Для животных еще меньше.

Грибы - сапрофиты питаются органическими веществами мертвых тканей или экскрементами. К сапрофитам относят дрожжевые и плесневые грибы. Дрожжевые и плесневые грибы широко используются в промышленности для получения полезных веществ (хлеба, спирта, кваса, кефира, антибиотиков и др.).

Грибы - симбионты могут вступать в симбиотические отношения с корнями высших растений.

Плесневые грибы имеют мицелярное строение. Мицелий состоит из ветвящихся нитей, называемых гифами. У низших одноклеточных грибов (мукор) гифы не септированы, т.е не разделены перегородками. У высших грибов (пеницилл и аспергилл) гифы септированы, они многоклеточные орагнизмы.

Толщина гиф составляет 5-50 мкм и более. Клеточная стенка грибов толстая, прочная, содержит целлюлозу и хитин: цитоплазматическая мембрана может иметь стероиды.

В цитоплазме содержится одно или несколько ядер с двойной мембраной, ядрышком и хромосомами, митохондрии, полисомы, лизосомы, вакуоли, включения валютина, гликогена. В клетках грибов отсутствует крахмал, одним из продуктов метаболизма является мочевина, у прокариот она невстречается.

У грибов различают три типа размножения: вегетативное, бесполое, половое. Вегетативное размножение осуществляется путем отделения от мицелия его частей с последующим образованием из них новых грибниц.

Бесполое размножение осуществляется с помощью спор (экзоспор и эндоспор).

Эндоспоры (мукор) развиваются внутри особых клеток спорангий и называются спорангиоспорами.

Экзоспоры (аспергилл, пеницилл) образуются на концах ответвлений мицелия конидионосцах и называются конидии (конидиоспоры). При созревании споры (конидии) осыпаются, спорангии лопаются и спорангиоспоры высыпаются. Попав, в благоприятные условия споры, прорастают.

При половом размножении грибов спорообразованию предшествует слияние гаплоидных мужских и женских гамет, в результате возникает зигота и наступает диплоидная фаза с полным (парным) набором хромосом. Половой процесс у разных видов грибов протекает различно и имеет свои особенности.

3.2 Морфология и строение дрожжей

Дрожжи. Они могут принадлежать к разным классам, чаще к аскомицетам. Дрожжи - эукариоты, одноклеточные, мицелия не образуют, сферические или палочковидные, размером 5-10 мкм. Имеют двухконтурную оболочку, цитоплазму, ядро, митохондрии, включения - валютин, гликоген.

Размножаются вегетативным путем (почкованием, делением), половым путем. Образование половых спор у большинства дрожжей происходит по аскомицетному типу.

После копуляции двух клеток (конъюгация) и слияния ядер, зигота превращается в сумку, где после 2-3 кратного деления образуются 4-8 аскоспор.

Каждая из аскоспор может прорастать в новую дрожжевую клетку, размножающуюся почкованием. Аскоспоры значительно устойчивы к внешним факторам, чем дрожжевая клетка.

Однако, по устойчивости они существенно уступают бактериальным спорам. Дрожжи играют важную роль в круговороте углерода в природе. Их используют в производстве хлеба, пива, вина, ценных молочнокислых продуктов, сдобренных кормов для животных. По химическому составу 50% сухого вещества составляют белковые вещества. Дрожжи используют для получения микробного белка.

3.3 Морфология и строение актиномицет

Актиномицеты (лучистые грибы) - длинные одноклеточные ветвящиеся микроорганизмы. Занимают промежуточное положение между грибами и бактериями. Как бактерии растут на питательных средах и красятся анилиновыми красками (грамположительные). Как грибы образуют ветвления - гифы, а образуемые ими переплетения - мицелий.

В отличие от бактерий у актиномицетов имеются специальные органы размножения - спорангии. Спорангии могут быть прямыми, волнистыми или спирально закрученными веточками. Аэробы, реже анаэробы. Образуют пигменты (розовый, желтый, синий).

Актиномицеты принимают участие в почвообразовательных процессах, образовании гумуса, являются основными продуцентами антибиотиков (стрептомицин, хлортетрациклин).



Понятийный аппарат (тезаурус) к теме 3

1. Грибы - паразиты, симбионты, сапрофиты

2. Мицелий

3. Гифы

4. Экзоспоры

5. Эндоспоры

6. Типы размножения грибов: вегетативное, бесполое, половое.

7. Аскоспоры

8. Лучистые грибы

Вопросы для самоконтроля

1. Морфология и строение микроскопических грибов

2. Отличительные признаки актиномицет от бактерий

3. Отличительные признаки актиномицет от грибов

4. Морфология и строение дрожжей

ЛЕКЦИЯ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВИРУСОВ

4.1 Природа вирусов

Вирусология - биологическая наука, занимающаяся изучением мельчайших организмов вирусов, а также заболеваний, вызываемых у любых других.

Вирусология - Наука о морфологии, физиологии, генетике, экологии и эволюции вирусов. медицинская вирусология исследует вирусы-паразиты человека, их роль в развитии заболеваний, разрабатывает методы диагностики, способы терапиии специфической профилактики.

Вирусы - самостоятельная группа прокариотических микроорганизмов (царство vira), отличающаяся от бактерий и грибов, но обладающая кардинальными свойствами живого.

Вирусы, вызывающие болезни у растений называются фитофагами, у бактерий - бактериофагами.

Первооткрывателем вирусов был русский ботаник Д.И. Ивановский, который изучал мозаичную болезнь табака. Готовил суспензию из пораженных листьев табака, пропускал через фильтр и фильтратом заражал здоровые растения. Растения заболевали. Ученый предположил, что в фильтрате был мельчайший организм. Долгое время шли споры, вирусы живые или неживые вещества?

Вирусы способны выпадать в осадок в виде правильной формы (кристаллизуемость вирусов) - неживые; но вирусы способны воспроизводить себе подобных и передавать генетическую информацию потомкам, что свидетельствует о том, что вирусы - живые.

Вирусы стоят ближе к существам, чем к веществам.

Вирусы своеобразная и неоднородная группа существ, обладающая некоторыми основными признаками живых организмов:

1. Воспроизводство себе подобных

2. Паразитизм

3. Инфекционность

4. Трансмиссивность

5. Изменчивость

6. Приспособляемость к условиям внешней среды

Вирусы занимают особое место в биосфере и находятся на границе живого и неживого.

4.2 Гипотезы происхождения вирусов

1.Эволюционная гипотеза - вирусы являются потомками древних доклеточных форм жизни.

Первичный мировой океан - вода + соли + температура, молекулы сталкивались и образовывались органические вещества, затем появились одноклеточные, рептилии. Предполагают, что молекулы могли столкнуться и образоваться вирусы.

2. Реэволюционная - вирусы произошли от бактерий, в результате регресса, т.е. освобождения от ставших ненужными органоидов. Вирусы строгие паразиты.

Например. Круглые черви - аскариды всасывают питательные вещества через кутикулу всей поверхностью. Потому что в кишечнике все готовое.

У аскарид регрессировала пищеварительная система. Так и у вирусов им не нужен аппарат Гольджи, клеточная стенка и т.д. . т.е. в результате отбрасывания ненужных органоидов получился вирус. Это характерно для крупных вирусов - вирус герпеса, вирус оспы - у них имеются остатки органоидов.

3. Вирусы являются «сбежавшими» органоидами клетки, а именно таких где есть нуклеиновая кислота. Нуклеиновая кислота имеется в ядре и вне ядра (плазмиды, митохондрии, пластиды).

Преоны и вироиды - замкнутые в кольцо нуклеиновые кислоты.

4. Вирусы из космоса

4.3 Основные свойства вирусов и их прикладное значение

Вирусы могут существовать в двух формах 1. клеточной и 2. внеклеточной. Вне клеток вирусные частицы (вирионы) не обнаруживают никаких признаков жизни. Попав в организм вирусы проникают в чувствительные клетки и переходят в активную репродуктивную форму. Начинается сложное, многообразное взаимодействие вируса и клетки, всегда заканчивающееся гибелью клетки и выходом из нее многочисленного вирусного потомства.

Основные свойства вирусов:

1. Вирусы имеют малые размеры. Их величина колеблется от 8нм до 400 нм ( бактерии имеют размеры 0,3 до 5 мкм). Вирусы не видны в световой микроскоп. Только крупные вирусы, такие как вирус оспы при окрашивании по методу Морозова, увеличивается в размере (белковая субстанция обволакивается азотнокислым серебром), после окрашивания вирус виден в световой микроскоп.

2. Вирусы легко проникают через мелкопористые фильтры. Вирусы и бактерии в смеси в жидкой фракции можно разделить, пропуская через мелкопористые фильтры. В процессе приготовления вируссодержащей суспензии из патологического материала, свободной от бактерий, взвесь пропускают через специальные фильтры.

3. Вирусы являются облигатными строгими внутриклеточными паразитами. Это проявляется неспособностью воспроизводить себе подобных вне живой клетки. Чтобы накопить вирусы используют клеточные субстраты - живые: куриные эмбрионы, культуры клеток, лабораторных животных.

4. Вирусы не растут на искусственных питательных средах.

5. Вирусы не имеют собственных белоксинтезирующих и энергообразующих систем.

Для воспроизводства вирусы приспосабливают эти системы, поражаемой ими клетки. Вирусы рассматривают как биологические образования, несущие генетическую информацию, которую они могут реализовывать только в клетках животного или растительного происхождения.

6. На вирусы не действуют антибиотики и сульфаниламидные препараты. Антибиотики, действуя на бактерию прерывают синтез клеточной стенки, ферментных систем.

Поэтому у вирусов им не на что действовать (у вирусов есть ДНК или РНК и белковая оболочка). При некоторых вирусных инфекциях назначают антибиотики. Так как вирусы ослабляют организм и на этом фоне безобидные сапрофитные микробы активизируются. Например, псевдомонасы при ослаблении организма вирусами могут вызывать пневмонию, поэтому назначают антибиотики.

7. Вирусы имеют разобщенный во времени и пространстве дизъюнктивный способ размножения.

Попав в клетку вирус включает органоиды клетки на выработку сырья. Отдельные компоненты вирусных частиц синтезируются в разных местах и в разное время в клетке, и только затем происходит самосборка вирусных частиц.

8. Вирусы имеют в своем составе только один тип нуклеиновой кислоты, или ДНК, или РНК. (у бактерий ДНК отвечает за наследственность, РНК - за перенос инфекции). У вирусов может быть одно- или двухнитчатая спираль РНК или ДНК.

Свойства вирусов не всегда являются абсолютными. Например. У вируса оспы и гриппа на определенном этапе развития возникает промежуточная форма РНК.

4.4 Структура вирусов

Вирусы имеют определенный тип симметрии. Тип симметрии зависит от положения центральной части нуклеиновой кислоты и расположения на ее поверхности белковых частиц.

Различают три типа симметрии:

1. Кубическая, или икосаэдрическая

2. Спиральная

3. Смешанный тип симметрии

При кубической симметрии нуклеиновая кислота располагается в центре в виде клубка, вокруг которого белковая оболочка образует правильный многогранник (так видно под электронным микроскопом).

При спиральном типе симметрии нуклеиновая кислота закручена в спираль, вокруг которой белковые единицы также образуют спираль.

Смешанный тип симметрии характерен для бактериофагов. Головка бактериофага имеет кубический тип симметрии, отросток - спиральный, в целом смешанный тип симметрии.

Синоним вирусной частицы - вирион присущ внеклеточной форме. Внутриклеточная форма или вегетативная обладает способностью к репродукции.

Центральная часть вируса состоит из нуклеиновой кислоты - нуклеоида, которая в большинстве случаев окружена белковой оболочкой, называемой капсидом. В совокупности нуклеоид и белковая оболочка получили название - нуклеокапсид.

Капсид каждого вируса состоит из строго определенных молекул белка. Он является образованием нескольких белковых субъединиц, которые называются капсомерами.

Вирус определенного вида состоит из строго определенного числа капсомеров, расположенных в определенном порядке. От расположения капсомеров определяется тип симметрии.

Число капсомеров различно у разных видов и колеблется минимум от 12 до нескольких сотен.

Капсид предохраняет нуклеиновую кислоту от неблагоприятных факторов внешней среды, обеспечивает присоединение вириона к клетке, притом присоединение избирательное. Вирион присоединяется к той клетке, в которой может репродуцироваться.

Капсид вируса обуславливает иммуногенные и антигенные свойства вируса.

В наиболее простых вирусах имеется только нуклеокапсид (вирус ящура, парвовирусного энтерита).

У сложных вирусов, кроме капсида имеется еще одна внешняя оболочка. она называется суперкапсидной. В состав суперкапсидной оболочки входят белки, липиды, углеводы, иногда ферменты. Образуется суперкапсидная оболочка при выходе из пораженной клетки с включением в состав суперкапсида компонентов клеток хозяина. Например, вирус герпеса, гриппа.

Еще более сложные вирусы - оспенные (Poxviride), между капсидом и суперкапсидной оболочкой имеют два боковых тельца, являющихся остатками рибосом пораженной клетки.

4.5 Химический состав вирусов

Основными компонентами вирусов являются белки и нуклеиновые кислоты. Сложные вирусы имеют липиды и углеводы, а некоторые и ферменты. По массе химические вещества составляют: белок -50-90%; нуклеиновая кислота - 1-40%; углеводы - 0-22%; липиды - 0-50%.

Отличие химического строения от бактерий заключается в том, что у вирусов нет воды, поэтому и нет собственного обмена веществ - вирусы паразиты.

Белки вирусов по элементарному и аминокислотному составу принципиально не отличаются от белков многоклеточных организмов. В их составе различают 16-18 аминокислот.

У разных видов вирусов имеется разное количество белков от 1 до 20 белков (у сложных вирусов - вирус оспы). Одна из существенных особенностей вирусных белков заключается в том, что белковые субъединицы-капсомеры активно взаимодействуют между собой без участия химических и физических реакций.

Поэтому вирусные белки способны к самосборке,в результате которой в клетке из отдельно синтезированных нуклеиновых кислот и вирусных белков конструируется полноценная вирусная частица.

Ферменты вирусов. Вирусы лишены ферментов. Они имеются лишь у сложных вирусов ( вируса герпеса, миксовирусов, вируса гриппа, чумы КРС). В состав суперкапсидной оболочки этих вирусов включен фермент нейроминидаза. Он вырабатывается в пораженной клетке и в процессе самосборки включается в состав оболочки. Этот фермент обеспечивает проникновение таких крупных вирусов в клетку. Больше других вирусов с ферментами нет.

Нуклеиновые кислоты. В составе вирусов только одна нуклеиновая кислота - РНК или ДНК. РНК - геном у 80% вирусов Они могут быть как одноцепочечные, так и двухцепочечные.

Количество нуклеотидов в вирусной нуклеиновой кислоте от 15 (у мелких вироидов) до 500 тыс. нуклеотидов.

Например: в РНК вируса табаичной мозаики содержится 6230 нуклеотидов, в ДНК кишечной палочки около 20 млн, в ДНК всех 46 хромосом человека - около 9 млрд. нуклеотидов. ДНК и РНК можно измерить с помощью электронного микроскопа. ДНК мелких вирусов равна 0,0016-0,0052мм, вируса оспы - 0,093 мм (для сравнения ДНК бактерии кишечной палочки - 1,53 мм, человека -2,0мм, дрожжей - 61,2 мм).

Вирусные нуклеиновые кислоты отличаются и в функциональном и в структурном отношении от нуклеиновых кислот в клетках. В структурном отношении, вирусы могут быть одно- и двухцепочечными.

По составу азотистых оснований - вместо цитозина - оксиметилцитозин. Вместо урацила - оксиметилурацил. В вирусных ДНК может находиться уроцил. В клеточной ДНК - нет. В сахарном компоненте ДНК - может встречаться глюкоза.

Главное отличие вирусных нуклеиновых кислот от клеточных заключается в том, что они обладают инфекционными свойствами. Если отдельно взятой вирусной нуклеиновой кислотой заразить клетку, клетка будет синтезировать полноценные вирусные частицы.

Липиды и сахара находятся в суперкапсидной оболочке вируса. Состав и количество этих соединений зависит от состава клеток хозяина.

4.6 Классификация вирусов

Вирусы могут развиваться только в определенных клетках. Тропизм вирусов - это преимущественные системы органов и тканей организма, в клетках которых вирусы способны к репродукции.

По тропизму вирусы подразделяются на:

1. Пантропные (в разных органах и тканях организма)

2. Нейротропные (в нервных клетках - вирус бешенства)

3. Дерматотропные (в клетках кожи - вирус оспы)

4. Эпителиотропные (вирус диареи. Ящура в эпителиальных клетках)

5. Пневмотромные (в клетках дыхательных путей, вирус гриппа, аденовирусы)

6. Гематотропные (в клетках крови, вирус лейкоза)

Современная классификация вирусов основана на фундаментальных (основных) свойствах вирионов, главными из которых являются:

1. тип нуклеиновой кислоты

2. морфология вириона

3. стратегия вирусного генома

4. антигенные свойства белков вируса

1, 2, 4 свойства внешне заметные свойства. Стратегия вирусного генома (3) (нуклеиновая кислота0 это обусловленный особенностями вирусного генетического материала, способ вирусной репродукции. Способ репродукции зависит от вирусного генома.

На основании различных признаков вирусы делятся на: семейства, подсемейства, роды и типы. Причем в основе разделения на семейства лежат два признака:

1. тип нуклеиновой кислоты

2. наличие суперкапсидной оболочки.

Существуют: 7 семейств ДНК-содержащих вирусов, 13 семейств РНК содержащих вирусов.

4.7 Названия вирусов (терминология латинская)

Семейство заканчивается на ...viridae, подсемейство заканчивается на …virinae, род - на ……virus, тип - применительно к каждому вирусу. Например: Сем. Paramyxoviridae

Род Morbilivirus

Тип Caninae

Вироиды это агенты, вызывающие болезни растений. Небольшая молекула РНК замкнутая в кольцо (плазмида). РНК может быть в плазмидах. Плазмиды и вироиды совпадают. Отсюда теория, что вирусы являются сбежавшими органоидами (плазмидами).

Преоны - возбудители некоторых медленных инфекций человека и животных, не содержащих нуклеиновых кислот, только белковые частицы.

Понятийный аппарат (тезаурус) к теме 4

Знать значение следующих терминов :

1. Капсид

2. Суперкапсид

3. Нуклеоид

4. Нуклеокапсид

5. Капсомеры

6. Вироиды

7. Преоны

8. Тропизм вирусов

Уметь объяснить следующие понятия:

1.Спиральный тип симметрии

2. Кубический тип симметрии

3. Смешанный тип симметрии

4. Пантропные вирусы

5. Нейротропные вирусы

6. Дерматотропные вирусы

7. Эпителиотропные вирусы

8. Гематотропные вирусы

9. Пневмотропные вирусы

Владеть основами классификации вирусов:

1. Семейство

2. Род

3. Тип

ЛЕКЦИЯ 5. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ У МИКРООРГАНИЗМОВ

Физиология микроорганизмов это раздел микробиологии, изучающий химический состав, процессы питания, дыхания, роста и размножения.

5.1 Химический состав микроорганизмов

Как и все живые существа бактерии состоят из органогенов - углерода, кислорода, азота и водорода.

В среднем бактериальная клетка содержит 80% воды и 20 % сухого вещества. Содержание воды более или менее постоянно. Вода является растворителем органических и неорганических веществ. В составе бактерий различают свободную и связанную воду. Свободная вода служит дисперсной средой для коллоидов, растворителем кристаллических веществ, источником водородных и гидроксильных ионов. Связанная вода находится в комплексах (сложные соли, гидраты). Она является структурным растворителем. При подготовки к спорообразованию количество воды уменьшается до 40%. Клетка в таком состоянии способна длительно переживать в окружающей среде.

Сухое вещество содержит минеральные соли, белки, углеводы, липиды, ферменты, витамины, токсины, пигменты и антибиотики.

Минеральные вещества. Количество их составляет от 2 до 30 % от сухого вещества.. Минеральные вещества необходимы для поддержания внутриклеточного осмотического давления, для поддержания положительной электрозаряженности, для регулирования рН среды и для активизации ферментов. Самыми важными минеральными веществами являются - Р, К, Na, Mg, S, Cl, Fe, Ca.Микроэлементы используются клеткой для синтеза витаминов, активизации ферментов, стимулируют процессы роста и размножения и др. К ним относят Cu, Ni (никель), Mn, Mo, Zn, Sb (олово).

Белки. Составляют от 40 до 80 % сухого остатка. Они определяют видовую специфичность микроба, вирулентность, окраску, иммуногенность (способность вызывать защитные реакции), устойчивость бактерий во внешней среде. Представлены белки в микробной клетке простыми белками протеинами (альбумины, глобулины) и сложными беками протеидами. В состав сложных белков входят нуклеопротеиды (протеины, связанные с нуклеиновыми кислотами), хромопротеиды (обуславливают цвет бактерий), мукопротеины, гликопротеины (входят в состав клеточной стенки).

Углеводы. Содержат 10-30% сухого остатка клетки. Бактерии содержат две категории углеводов 1) моно- или дисахара; 2) полисахариды. Они входят в структуру клеточной стенки. Гр (+) бактерии имеют более толстую стенку(до 50 нм), в составе которой много гликозидов, тейхоевых кислот (полисахариды).

Липиды. Составляют от 0,2 до 41 % сухого вещества. У риккетсий, дрожжей, микобактерий, грибов до 40 % липидов, у других не более 3-7% (по Радчуку). Липиды обнаруживаются в бактериях в форме крупных биологически активных молекул, или реже в свободном состоянии в виде пищевых вакуолей. У бактерий различают следующие классы липидов: 1) в форме свободных жирных кислот, 2) в форме восков, 3) в форме фосфолипидов ( у кислотоустойчивых бактерий до 6,5% сухого вещества). Липиды обуславливают проницаемость, поверхностный электрический заряд. Они входят в состав токсической фракции ряда микробов. Молекулы липидов комплектуют цитоплазматическую мембрану и клеточную стенку бактерий. Липидов много у Гр (-) бактерий, в виде липополисахарида и липополисахаридо-протеина. Липиды являются резервными веществами и могут быть использованы как исходные компоненты для синтеза белков.

5.2 Ферменты микроорганизмов

Ферменты это биологические катализаторы, усиливающие скорость реакций. Ферменты - глобулярные белки, молекулярная масса которых колеблется от 15 кД до нескольких тысяч. Это простые белки и сложные белки, например уреаза. Пепсин, трипсин - простые белки, а карбоксипептидаза, амилаза, рибонуклеаза - сложные. С помощью ферментов у микроорганизмов осуществляются процессы метаболизма: пищеварение, дыхания, выделения. Незначительное количесиво ферментов превращает большое количество субстрата, оставаясь при этом в свободном состоянии. Так. Одна часть химозина (сыжужного фермента) может чвернуть до 12 млн частей молока; 1 г амилазы при определнных условиях может превратить в сахар 1 т крахмала.

Ферменты вырабатываются клетками и способны действовать, даже будучи выделенными из нее, что имеет большое практическое значение. Для ферментов характерны термолабильность и высокая специфичность. Например, фермент лактаза расщепляет только сахар лактозу.

Микробная клетка может содержать большое количество ферментов. Например, у аспергилла обнаружено до 50 ферментов. Поэтому микроорганизмы могут осуществлять одновременно ряд различных реакций в среде, где они находятся.



Различают экзо- и эндоферменты. Экзоферменты выделяются микробной клеткой при жизни в субстрат (окружающую среду), растворимы в питательной среде и проходят бактериальные фильтры. Эти ферменты связаны в основном с процессом питания: расщепляют сложные высокомолекулярные вещества (белки, крахмал, клетчатку), т.е. подготавливают питательные вещества к усвоению микробной клеткой.

Эндоферменты прочно связаны с бактериальной клеткой и действуют только внутриклеточно, осуществляют дальнейшее разложение питательных веществ, и превращение их в составные части клетки.

К таким ферментам относят дегидрогеназы, оксидазы. Оптимальная температура для действия ферментов 40-50 град по С. при температуре 100 град. они разрушаются. На их активность влияет и рН среды. Название фермента связано с веществом, на которое он действует, с изменением окончания на «аза» или с природой катализируемой им химической реакции. На этом основана и современная классификация их. В настоящее время насчитывается более двух тысяч ферментов.

Различают 6 групп ферментов.

1.Оксидоредуктазы - ферменты катализирующие окислительно-восстановительные реакции (дегидрогеназы - НАД,НАДФ, ФАД). Ферменты принимающие участие в переносе электронов водорода, кислорода и др.

2. Трансферазы - ферменты, катализирующие перенос отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок (не водорода) от одних соединений к другим. (ацетилтрансфераза, фосфотрансфераза)

3.Гидролазы - ферменты, катализирующие реакции расщепления и синтеза иактх сложных соединений, как белки, жиры и углеводы, с участием воды.

4. Лиазы - ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных химических групп с образованием двойных связей или присоединение отдельных групп или радикалов по двойным связям.

5. Изомеразы - ферменты, осуществляющие превращение органических соединений в их изомеры.

6. Лигазы - ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из простых.

В микробиологической практике ферментативную активность бактерий применяют для идентификации и дифференциации бактерий, в биотехнологии - для получения ферментов, приготовления уксусной, молочной, щавеливой, лимонной кислот, молочных продуктов (сыр, ацидофилин, кумыс), в виноделии, пивоварении, силосовании. Ферментативная активность микроорганизмов определяет патогенез и клиническую картину инфекционных заболеваний.

С помощью ферментов у микроорганизмов осуществляются процессы метаболизма: пищеварение, дыхания, выделения.

Незначительное количество ферментов превращает большое количество субстрата, оставаясь при этом в свободном состоянии.

5.3 Типы питания микроорганизмов

Метаболизм объединяет два взаимосвязанных, но и взаимопротивоположных процесса: анаболизм и катаболизм.

Анаболизм это использование микроорганизмами питательных веществ, для биосинтеза веществ собственного тела.

Катаболизм это извлечение энергии из питательных веществ, которая используется микроорганизмами для своей жизнедеятельности.

Под питанием понимают получение из окружающей среды источников энергии и веществ, необходимых для биосинтеза клеточных компонентов.

По способам питания микроорганизмы делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофы, что представлено в схеме.



1. Аутотрофные микроорганизмы - используют неорганические вещества в качестве источника углерода - углекислый газ и не нуждаются в сложных органических соединениях.

2. Гетеротрофные микроорганизмы - получают углерод из органических углеродсодержащих соединений, которым являются углеводы, углеводороды, аминокислоты и органические кислоты.

3. Метанотрофы - используют органические вещества неживой природы.

4. Паратрофы - используют органические вещества живой природы.

5. Прототрофы - способны сами синтезировать необходимые вещества из низкоорганизованных.

6.Ауксотрофы- являются мутантами прототрофов, потерявшими гены; ответственны за синтез некоторых веществ -витаминов, аминокислот.

7. Органотрофы- используют органические вещества в качестве доноров водорода для восстановления углерода.

8. Литотрофы - используют минеральные вещества в качестве доноров водорода для восстановления углерода.

9. Фотолитотрофы - используют энергию солнечного света.

10. Фотоорганотрофные микроорганизмы - для восстановления углекислого газа могут использовать водород органических соединений.

11. Хемолитотрофные микроорганизмы -способны усваивать углекислоту и синтезировать органические вещества за счет химической энергии, получаемой при окислении различных минеральных веществ.

12. Хемоорганотрофные микроорганизмы - нуждаются в готовых органических веществах.

В основе питания бактерий лежит осмотическое явление. Питание может осуществляться также путем диффузии и стереохимического переноса питательных веществ с помощью особых белков называемых пермеазами.



Понятийный аппарат к теме 5 (Тезаурус)

1. Типы питания микроорганизмов (аутотрофные микроорганизмы, гетеротрофные микроорганизмы, метанотрофы, паратрофы, прототрофы, ауксотрофы, органотрофы, литотрофы, фотолитотрофы, фотоорганотрофные микроорганизмы, хемолитотрофные микроорганизмы, хемоорганотрофные микроорганизмы)

2. Типы дыхания микроорганизмов (облигатные (строгие, абсолютные) аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные (строгие, абсолютные) анаэробы)

3. Пермеазы

4. Экзоферменты

5. Эндоферменты

6. Классификация ферментов (оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы)

Вопросы для самоконтроля

1. Механизм и источники питания микроорганизмов.

2. Классификация ферментов. Их значение в жизни микроорганизмов.

3. Значение ферментативной активности микробов в лабораторной практике.

4. Механизм дыхания микроорганизмов.

5. Понятие «рост» и «размножение» микроорганизмов.

ЛЕКЦИЯ 6. ДЫХАНИЕ И РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

6.1 Типы дыхания микроорганизмов

Дыхание микроорганизмов это сложный биологический процесс, сопровождаемый окислением или восстановлением различных, преимущественно органических соединений с последующим выделением энергии в виде АТФ, необходимой микробам для физиологических нужд.

Дыхание микроорганизмов может осуществляться как в присутствие кислорода воздуха, так и без него. В связи с этим микроорганизмы разделяют на аэробы и анаэробы.

Аэробы это микроорганизмы, живущие и размножающиеся за счет свободного доступа кислорода воздуха.

Анаэробы это микроорганизмы, живущие и размножающие в условиях отсутствия кислорода.

Имеются и промежуточные формы. По типу дыхания микроорганизмы подразделяют на 4 группы:

1. Облигатные или строгие аэробы -это микроорганизмы, которые живут при свободном доступе кислорода (уксуснокислые бактерии, туберкулезная палочка);

2. Микроаэрофильные бактерии - способны расти и размножаться в присутствие незначительного количества свободного кислорода воздуха до 1% (актиномицеты, бруцеллы);

3. Факультативные микроорганизмы - живущие как в присутствие, так и в отсутствие кислорода воздуха. (кандида, верховые дрожжи, энтеробактерии). Они имеют два набора ферментов.

4. Облигатные или строгие анаэробы развиваются при полном отсутствии кислорода в окружающей среде (маслянокислые бактерии, возбудитель столбняка, ботулизма).

...