Лекция 01
Предмет и задачи микробиологии. Основные этапы развития микробиологии. Значение общей и медицинской микробиологии в деятельности провизора. Систематика, номенклатура и классификация микроорганизмов. Морфология и структура бактерий.
Микробиология – наука, которая изучает мельчайшие, преимущественно одноклеточные, живые существа, названные микроорганизмами. Объектами изучение микробиологии есть бактерии, грибы, простейшие, риккетсии и вирусы. Она изучает их форму, строение и ультраструктуру (морфологию), биохимическую активность, проявления и закономерности жизнедеятельности (физиологию), наследственность и переменчивость (генетику), роль у кругообизи веществ в природе, в поддержании экологической безопасности, в возникновении и распространении инфекционных болезней среди людей, животных и растений (микробную экологию).
При средней остроте зрения человек может видеть невооруженным глазом лишь те объекты, размер которых не больше 0,08 мм. Мелкие тела и существа недоступны для простого наблюдения. И были времена, когда человечество в лучших случаях лишь догадывалось о существовании невидимых живых существ. Теперь они открыты и достаточно хорошо изучены. Сам термин “микроб” впервые введен в науку французским ученым Шарлем Серийо в 1878 г. Он происходит от греческого слова “михров”, что буквальном переводе значит “недолго живучий”, а в более широком толковании мельчайшее живое существо.
Но среди огромного количества микроорганизмов есть и такие, которые несут смерть людям, животным и растениям. Для них не существует никаких географических и государственных границ. Вызваны ими заболевания часто распространяются с поразительной скоростью. Эпидемии чумы и холеры, оспы и гриппа, кори и дифтерии порою захватывали целые материки и даже потрясали весь мир. Были времена, когда они наносили больше человеческих жертв, чем самые страшные и опустошающие войны. Только во время одной эпидемии чумы в 14 веке в Европе погибло свыше 25 млн человек и 35 млн – в Азии.
Медицинская микробиология изучает систематику, номенклатуру и классификацию наиболее известных болезнетворных для человека микроорганизмов. Большим и важливаим ее разделом является учение об инфекции и иммунитете, антибиотиках и других химиотерапевтических препаратах. Она разрабатывает современные методы бактериологических, вирусологических и иммунологических исследований и их использования при лабораторной диагностике инфекционных болезней, применения вакцин, иммунологических препаратов и еубиотикив для их специфического лечения и профилактики.
В связи с большими запосами науки и практики прошла дифференциация микробиолоии на отдельные научные дисциплины. В наши дни самостоятельное значение приобрела общая микробиология, промышленная, ветеринарная, санитарная, сельскохозяйственная и медицинская. В связи с освоением космоса возникла космическая микробиология, которая изучает изменения земных микробов в космическом пространстве а также как изменяется нормальная микрофлора тела человека у космонавтов.
За последние несколько десятилетий микробиология имеет огромные достижения. Предложенные высокоэффективные вакцины – дифтерийную, туляремийную, полиомиелитную, коревую, паротитную, против желтой лихорадки и др. В глобальном масштабе побеждена оспа.
Разработка эффективных вакцин против гриппа, гепатитов и СПИДА – чрезвычайно актуальная проблема для микробиологической науки.
Исторический очерк развития микробиологии
Развитие микробиологии как науки тесно связаны с искусством шлифования стекла и алмазов и изготовлением первых микроскопов (Из. Янсен, 1590; Г. Галилей, 1610; Р. Гук, 1665).Первым удивительным охотником за микробами, который заглянул в этот таинственный невидимый мир живых существ, был голландский торговец полотном, сторож судебной палаты Антоний Левенгук (1632-1723).
Именно с этого времени и начинается первый, так называемый морфологический период в истории развития микробиологии.
Во второй половине 19 века микробиология крепко утверждается как самостоятельная наука. Для этого сложились все необходимые условия. Были открыты и описаны первые возбудители инфекционных болезней, установленные и изученные возбудители некоторых технологических процессов. И все же, чтобы учредить новую науку, создать действительно гармоничное учение необходимо было все эти разрозненные факты привести к единой системе. Но такая проблема по силам только гениям. Такой гений пришел. Его подарила человечеству Франция. Это был знаменитый французский ученый Луи Пастер (1822-1895).
Он начал глубоко изучать физиологию и биохомию микроорганизмов, положив тем же начало второму, физиологическому периоду, в истории микробиологии.
Пастер первым предложил выращивать микробов на искусственных питательных средах. Он также установил, что заразные болезни вызывают микроорганизмы и что каждое заболевание имеет своего специфического возбудителя,. разработал принципы и методы ослабления болезнетворных свойств микроорганизмов. При введенные таких ослабленных культур в организм, они не вызывают заболевания, а только легкую реакцию в результате которой вырабатывается иммунитет. Использовав этот метод при куриной холере, сибирке и бешенстве, Пастер получил невероятно позитивные результаты.
Очень плодотворно для развития особенно медицинской микробиологии была научная деятельность знаменитого немецкого ученого Роберта Коха (1843-1910). Современник Пастера и его последователь Кох провел классические исследования по этиологии сибирки, туберкулеза и холеры, благодаря чему вошел в историю как один из основоположников современной микробиологии. В процессе изучения этиологии сибирки и ранових инфекций и воссоздания их в эксперименте на животных он окончательно сформулировал знаменитую триаду Генле-Коха: 1) возбудитель выделяется при одной болезни и не должен встречаться ни у здоровых, ни у больных другими болезнями; 2) микроб должен быть выделен в чистой культуре; 3) выделенная чистая культура должна вызывать в эксперименте такое же заболевание. Постулаты триады в то время способствовали открытию и детальному изучению многих возбудителей инфекционных болезней. Р. Кох блестяще разработал методы выращивания и выделения чистых культур бактерий на плотных питательных средах, что имело решающее значение для дальнейшего прогресса в лабораторной диагностике инфекционных болезней. Он ввел в микробиологическую практику метод окрашивания бактерий анилиновыми барвникамми, метод “висячей капли” для изучения подвижности микробов, иммерсионную систему, конденсор Аббе. Мировое значение приобрело открытие Кохом возбудителя туберкулеза (1882), за которое он получил Нобелевскую премию в 1885. В 1883 р было напечатано еще одно классическое произведение Коха – о возбудителе холеры. Этот выдающийся успех выпал на его судьбу во время специальных научных экспедиций для изучения эпидемий холеры в Египте и Индии.
В фундаментальных научных разработках указанных проблем исключительно большое значение имели исследования нашего гениального соотечественника Ильи Ильича Мечникова (1845-1916). В разные годы работал в Новороссийском и Петербургському университетах. Из 1886 р возглавлял первую пастеровскую станцию в Одессе, где вместе с М. Ф. Гамалея организовал прививку против бешенства, других инфекционных болезней, изучал биологические методы борьбы с вредителями сельского хозяйства.В следующие годы И. И. Мечников опубликовал свои классические работы “Сравнительная патология воспаления” и “Неблагоприятность к инфекционным болезням”, в которых изложил исследование о защитных свойствах организма и фагоцитарной теории иммунитета. И.И.Мечников показал, что у высших организмов функцию фагоцитоза выполняют лейкоциты двух типов : макрофаги и микрофаги. Вся дальнейшая его деятельность была направлена на совершенствование и защиту фагоцитарной теории иммунитета, которую он горячо отстаивал в течение 25 лет в борьбе с господствующей в то время гуморальной теорией П. Ерлиха. В конце концов сам Мечников выдвинул концепцию, согласно которой гуморальная и фагоцитарная теории не исключают, а, наоборот, дополняют друг друга. Признанием заслуг обоих творцов учения об иммунитете было присуждение им в 1908 р Нобелевской премии.
Мечников вместе с Пастером заложили основы учения об антагонизме бактерий, которое позже выросло в чрезвычайно важное для практической медицины учение. Он предложил три лечебных препарата – простоквашу, йогурт и лактобациллин. Теперь такие бактериальные препараты называются пробиотиками.
Классические исследования Мечникова определили третий профилактический период в истории развития микробиологии, которое обогатило науку и практику многими биологическими препаратами для лечения и профилактики инфекционных болезней. За образным выражением Ру “Мечников – это поэт в микробиологии”.
Одним из известных “охотников за микробами” в Европе, России и Украине был Д.С.Самойлович (1744-1805). Он первым выразил мнение, что чуму вызывает какой-то особенный живой агент. Выдающийся микробиолог Г.Н.Габричевський (1860-1907) организовал первый в Москве Бактериологический институт вакцин и сывороток.
Важное значение для развития микробиологии имела научная деятельность Л. О. Тарасевича. В 1918 р учредил первую станцию по контролю бактериальных препаратов (в настоящее время НИИ стандартизиции и контроля медицинских биологических препаратов им. Л. О. Тарасевича).
В 1888 г. Е. Ру и А. Иерсен впервые установили, что дифтерийная палочка выделяет токсин. Через два года Е. Беренг и С. Китазато при введении животным малых доз дифтерийного и столбнячного токсинов получили соответствующие антитоксические иммунные сыворотки. Е. Ру, А.Ю. Бардах и Г.Н. Габричевський изготовили противодифтерийную сыворотку и успешно лечили ею больных дифтерией детей. Эти исследования обосновали проблемы изготовления иммунных лечебных и профилактических сывороток против газовой гангрены, столбняка, ботулизма, а позже иммуноглобулинов против многих бактериальных и вирусных инфекций.
Конец ХІХ века ознаменовался открытиям отдельного царства вирусов. В 1892 р Д. И. Ивановский (1864-1920) открыл первого представителя этого царства – вирус мозаичной болезни табака, а еще через шесть лет Ф. Леффлер и П. Фрош выявили вирус ящура.
Из украинских вирусологов важное значение имеют исследования С. С. Дяченка, В. П. Широбокова, А. Ф. Фролова.
Блестящий путь в науке в этот период оставил выдающийся микробиолог, иммунолог и вирусолог Л. О. Зильбер (1894-1966). Вместе с сотрудниками он открыл вирус клещевого энцефалита, изучал природу и иммунологию злокачественных опухолей, выдвинул виросогенетичну теорию раковой болезни.
Интересны и важны для практической медицины были исследования известного микробиолога и иммунолога П. Ф. Здродовського (1890-1976), автора работ, ряда монографий, посвященных эпидемиологии и профилактике риккетсиозов, малирии, дифтерии, бруцеллеза.
Вклад украинских ученых в развитие микробиологии
При изложении истории развития микробиологии почти во всех учебниках освещали преимущественную роль европейских и российских микробиологов. Достижение украинских ученых или умалчивались, или их считали русскими. В то же время еще на грани ХІХ и ХХ веков в нашей стране уже формировались целые школы микробиологов (одесская, киевская, харьковская), которые обогатили микробиологическую науку важными открытиями.
Патриархом украинских микробиологов был И.И.Мечников, деятельность которого освещена выше.
Исключительно большой вклад в развитие общей микробиологии внес гениальный украинский ученый С.М.Виноградський (1856-1953). Его имя стоит рядом с именами Пастера, Коха, Кона. Он открыл серо-, железобактерий, нитрифицирующие и азотфиксующие микробы, определил их роль в кругообороте веществ в природе. По приглашению Пастера Виноградський приезжал в Париж, где около 30 лет плодотворно работал в Институте Пастера. Это был один из самих успешных периодов его научной деятельности. Невзирая на то, что Виноградський много лет работал в России, Германии и Франции именно Украина дала ему жизнь и щедрый талант.
К славной плеяде выдающихся украинских микробиологов принадлежит академик Д.К.Заболотный (1866-1929).
Он внес неоценимый вклад в медицину своими исследованиями по изучению чумы, холеры и других инфекционных болезней. В 1893 г. вместе с Савченко он успешно провел героический опыт самозаражения холерным вибрионом после предварительной иммунизации через рот вакциной из убитых вибрионов. Заболотный создал учение о естественной очаговости чумы и экспериментально доказал этиологическую идентичность бубонной и легочной форм этой болезни. Во время специальных научных экспедиций по борьбе с чумой в Индии, Монголии, Манчжурии, Китае, Иране, Саудовской Аравии он впервые выдвинул гипотезу, что дикие грызуны (суслики, тарбаганы) являются носителями возбудителя чумы в природе и источником заражения человека в межэпидемический период. Рядом с этим он впервые выразил мнение о возможности заражения чумой через укусы красных блох (тарбагановых), которые кусают и человека, что было блестяще подтверждено позже. В совершенстве исследовал эпидемии холеры на Украине и в Петербурге, малярию на Кавказе, дифтерию и дизентирию на Подолье.
Д. К. Заболотный стал ученым широкой научной эрудиции, с богатым опытом научно-организаторской работы в борьбе с инфекциями. Его докторская диссертация посвящена изучению экспериментального сифилиса на обезьянах.
С полной силой талант Заболотного раскрылся на посту президента основанной им Академии Украины (1928-1929). Тогда же он организовал институт микробиологии и вирусологии, который носит его имя.
На первых этапах развития микробиологии наиболее многочисленной и важной была одесская школа бактериологов. Основное значение имели работы Мечникова и Гамалии, которые организовали первую бактериологическую станцию в Одессе (1886). После отъезда Мечникова во Францию М. Ф. Гамалия (1859-1949) возглавил одесскую школу. Он впервые в Украине осуществил вакцинацию людей против бешенства, открыл явление бактериофагии, разработал интенсивный метод изготовления оспенной вакцины.
Г. М. Минх вошел в историю знаменитым опытом самозараження поворотным тифом. Он ввел себе кровь больного и тяжело заболел, исследовал собственную кровь и увидел в ней спирохет, что дало возможность отличить поворотный тиф от сыпного.
О. О. Могутковський ввел себе кровь больных сыпным и поворотным тифами, сам заболел сначала сыпным, а потом поворотным тифом. Он доказал, что возбудитель сыпного тифа находится в крови больных. Такие были героические опыты двух одесских врачей.
Славной была и есть киевская школа микробиологов. Основателем и первым заведующим кафедры микробиологии Киевського института был М. П. Нещадименко, известный своими трудами в отрасли иммунологии и изучении роли стрептококков в патологии человека. Главой киевских микробиологов того периода был В. В. Подвысоцький.
Важные теоретические и практические проблемы медицинской микробиологии разработал академик В. Г. Дроботько, в частности биологию капсульных и кишечных бактерий, изменчивость микроорганизмов, бактериофагию, фитонциды и антибиотики из высших растений. Огромное влияние на мировозрение украинских микробиологов и эпидемиологов имела научная и общественная деятельность академика Л. В. Громашевского. Он основательно разработал учение о механизме передачи инфекции и научной классификации инфекционных болезней. В его классических исследованиях по эпидемиологии холеры, брюшного тифа, дизентерии и гепатита установленная роль мух в переносе возбудителей этих болезней и раскрытии причин сезонности этих заболеваний. Громашевский написал фундаментальные учебники по общей и специальной эпидемиологии, какие переиздавались несколько раз.
К выдающимся украинским ученым в отрасли медицинской микробиологии принадлежит С. С. Дяченко (1898-1992). С 1943 по 1973 г. возглавлял кафедру микробиологии Киевского медицинского института. Впервые провел исследование антигена вирулентности возбудителя брюшного тифа. Фундаментально изучал физиологичные механизмы иммунитета, этиологию и лабораторную диагностику тифов, сальмонеллезов, лептоспирозов и возбудителей некоторых иврусних инфекций. Итогом этих важных работ стали классические пособия “Микробиологические методы диагностики инфекционных болезней” и “Патогенные вирусы человека”. Всего им опубликовано 220 работ. из них 12 монографий. С. С. Дяченко внес весомый вклад в формирование украинской школы микробиологов и вирусологов. Он подготовил 4 доктора и 55 кандидатов наук.
Для развития и становления микробиологической науки в Украине много сделала и харьковская школа бактериологов. В частности В. И. Недригайлов был одним из основателей Бактериологического института в Харькове (в настоящее время Институт микробиологии и иммунологии им. И.И.Мечникова). Основные работы В.И.Недригайлова касаются разных проблем иммунологии.
Выдающийся микробиолог и эпидемиолог С.И. Златогоров почти ежегодно, порой вместе с Д.К.Заболотным, виезжали в составе специальных научных экспедиций на борьбу с эпидемиями чумы, холеры, оспы.
В Симферополе долгое время работал К.Д.Пяткин, который в совершенстве изучил изменчивость возбудителя дифтерии и патогенез этого заболевания, успешно решал отдельные вопросы генетики бактерий и вирусов. Его учебник “Медицинская микробиология” и “Практическое пособие по медицинской микробиологии” выходили несколько раз на украинском и русском языках, а основной учебник был переведен на английский и испанский языки. Микробиологическая наука в Украине находится на такой стадии развития, когда может внести большой вклад в благосостояние и здоровья людей. Она дала удивительные открытия в прошлом, играет значительную роль во многих сферах человеческой жизни сегодня и без сомнения будет большой наукой будущего.
Классификация и номенклатура бактерий
Одна из первых попыток научной классификации бактерий принадлежит датскому зоологу О. Мюллеру, который еще в XVIII ст. выделил два роды, – Monas i Vibrio. Позже немецкий биолог Е. Геккель предложил выделить микробов в отдельное царство Protista (protos – простейший). Оно охватывало преимущественно одноклеточные микроорганизмы. Дальнейшие исследования привели к разделению этого царства на более высокие (водоросли, грибы, простейшие) и более низкие (бактерии, цианобактерии). Такой подход способствовал четкому разделению живого мира на прокариотические и еукариотические живые системы.
Современная систематика (таксономия) бактерий – наука об их распределении по определенным группам (таксонам). Для их характеристики учитывают разнообразные свойства: морфологические признаки, способность потреблять атмосферный кислород, пути получения энергии, оптимальная температура роста, рН среды, способность усваивать определенные вещества, наличие включений, состав клеточной стенки, содержимое основ ДНК, экологическая ниша и тому подобное.
Для названия микроорганизмов используют двойную номенклатуру К. Линнея. Первое слово указывает на род и пишется с большой буквы. Оно происходит от фамилии ученого, который открыл и изучал данный микроорганизм, или характеризует какой-то морфологический признак. Второе слово означает вид, пишется с малой буквы и связано с названием болезни, фамилией автора и др. Так, стафилококк золотистый имеет название Staphylococcus aureus, возбудитель туберкулеза – Mycobacterium tuberculosis, кишечная палочка – Escherichia coli.
Наибольшее признание среди микробиологов получила классификация микроорганизмов, которая подана в Определителе бактерий Д. Берги (Bergey’s Manual Systematic Bacteriology).
Основной такcономичною категорией является вид – группа близких между собой организмов, которые имеют общее происхождение, единственный генотип, подобные морфологические, физиологичные, биохимические, серологические, экологические и другие признаки. В соответствии с Международным кодексом номенклатуры бактерий микробиологи используют такие таксономические критерии систематики : вид – род – семейство – порядок – класс – отдел – царство.
В соответствии с ней царство Procaryotae разделено на 4 отдела за особенностями строения клеточной стенки, отношением к окрашиванию за методом Грамма и др.: Gracilicutes (gracilis – тонкий, cutis – кожа) – грамотрицательные бактерии, Firmicutes (firmus – крепкий) – грамположительные бактерии, Tenericutes (tener – мягкий, нежный) – микробы, которые не имеют клеточной стенки, Mendosicutes (mendosus – ошибочный) – представители микробного мира, которые имеют нетипичный пептидогликан.
Однако генетические механизмы, которые лежат в основе изменчивости, способные обеспечивать только относительную стабильность признаков в пределах одного вида, потому введено понятие о вариантах (типы) бактерий, которые за некоторыми особенностями отличаются от стандартных видов,: морфовары (по морфологическим признакам), биовары (за биологическими), ферментовары (за ферментативными), фаговары (за чувствительностью к бактериофагам), серовары (по антигенным свойствам), эковары (за экологическими нишами жилища), патовары (за патогенностью для лабораторных животных).
Морфология и ультраструктура бактерий
Внешний вид микроорганизмов на удивление разнообразен. По форме бактерии разделяют на коккоподобные, палочковидные, извитые и нитевидные.
Кокки (kokkos – зерно, косточка) – шарообразные микроорганизмы сферической, элипсоподибной, ланцетовидной или бобовоподибной формы. За характером расположения микробов в мазках, который зависит от способа разделения клеток и следующего их расхождения, коккоподобные бактерии разделяют на ряд групп.
Микрококки (micros – мелкий) характеризуются одиночным и беспорядочным расположением клеток. Как правило, это сапрофитные микроорганизмы и при обычных условиях не вызывают заболеваний у человека. Однако у лиц с иммунодефицитными состояниями или тех, кто перенес сложные операции, трансплантации органов и тканей, они могут вызывать бактериемию, гнойно-септические осложнения.
Диплококки (diploos – двойной) – группа кокков, которые после деления не расходятся, а существуют парами. Типичными представителями являются возбудители эпидемического цереброспинального менингита и гонореи. Эти микроорганизмы имеют характерную бобовоподобную форму и в мазках ввогнутыми сторонами обращены друг к другу. Возбудители крупозной пневмонии и некоторых других гнойно-септических процессов также принадлежат к диплококкам, но имеют ланцетовидную форму или форму пламени свечи.
Стрептококки (streptos – бусы) – микробы, которые после деления в одной плоскости не расходятся, а формируют цепочки, которые состоят из 3-4, а порой и десятков клеток круглой или элипсоподибной формы.
Часть их являются сапрофитами, представителями нормальной микрофлоры человека, другие вызывают тяжелые гнойно-септические процессы (пневмонию, менингит, остеомиелит, холецистит, сепсис и тому подобное). Доказана роль стрептококков в развитии скарлатины, ревматизма, бешихи.
Тетракокки (tetra – четыре) – кокки, которые после деления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях образуют тетрады. Как правило, эти микроорганизмы непатогенны для человека.
Сарцины (sarcina – пака, тюк) – кокки, в которых деление происходит в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, а после деления они не расходятся и располагаются в виде паков с 8, 16, 32, 64 клеток.
Патогенных представителей среди них нет.
Стафилококки (staphyle – гроздь) – кокки, которые делятся в нескольких плоскостях, клетки располагаются хаотически, в виде скоплений, что в мазках из чистой культуры напоминают виноградную гроздь. Стафилококки – убиквитарные микробы, встречаются в воздухе, почве, организме человека и животных. Численные их представители вызывают разнообразные гнойно-септические заболевания: фурункул, карбункул, гидроаденит, флегмону, нефрит, холецистит, менингит, пневмонию, сепсис и тому подобное. Практически в организме человека нет органов и тканей, которые не повреждаются стафилококками.
Не менее удивительный мир палочковидных или цилиндрических бактерий, которые по своим количеством превышают кокковые микроорганизмы. Средние размеры их 0,5-1,5 мкм длиной и 0,5-2 мкм в ширину.
Палочковидные бактерии имеют разнообразную форму (цилиндрическую, элипсоподибную, овальную, веретенообразную, в виде барабанной палочки или теннисной ракетки). Их концы могут быть ровными или вроде обрублеными и даже ввогнутыми (возбудитель сибирки), округленными (кишечные палочки, возбудители брюшного тифа, дизентерии). Встречаются палочковидные формы с заостренными концами (фузобактерии), булавовидными утолщениями на них. Часто встречаются микробы, которые имеют разветвление (микобактерии туберкулеза). Это позволяет распознавать вид микроорганизмов, что имеет большое значение при лабораторной диагностике.
Палочковидные бактерии, в зависимости от способности образовывать споры и их диаметра, разделяют на собственное бактерии, бациллы и клостридии. Собственно бактерии – микрооганизми, которые не способны к образованию спор. К ним принадлежат возбудители сальмонеллезов, брюшного тифа, дифтерии, туберкулеза, коклюша.
Бациллы (bacillus – палочка) и клостридии (closter – веретено) способные образовывать споры. К первой группе принадлежат возбудители сибирки, ко второй – возбудители газовой анаэробной инфекции, столбняка, ботулизма.
По аналогии с кокками, в зависимости от способа расположения в мазках, палочковидные микрооганизми разделяют на: а) монобактерии (кишечная, брюшнотифозная, дизентерийная палочки, возбудитель чумы
и монобациллы (возбудители столбняка, ботулизма);
б) диплобактерии (клебсиеллы пневмонии) и диплобацилы;
в) стрептобактерии (возбудители мягкого шанкру) и стрептобациллы (возбудители сибирки).
Спиралеподобные бактерии имеют извитую, штопороподобную форму. К этой группе бактерий принадлежат вибрионы, спириллы, спирохеты.
Вибрионы (vibrare – колебаться, дрожать) – бактерии, с одним небольшим изгибом размером 1/4 завитка спирали, которая предоставляет им сходство с запятой.
Представителями этой группы являются возбудители холеры и холероподобные вибрионы, которые населяют водоемы. Спириллы (spira – завиток, спираль) – бактерии, которые имеют несколько изгибов, что предоставляет им форму штопора. Патогенным представителем является спирилла, которая вызывает у человека содоку (болезнь укуса крыс).
К этой группе микроорганизмов принадлежат также кампилобактерии и геликобактерии, которые способны вызывать у человека заболевание желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы.
Спирохеты (speira – виток, haite – длинные волосы) также имеют штопороподобную форму и различаются между собой числом завитков и длиной (длина может достигать 500 мкм, а диаметр возбудителей – 0,3-1,5 мкм). Среди них выделяют патогенные для человека трепонемы (trepo – возвращать, nemo – нить) боррелии (за фамилией французского бактериолога A. Боррела) и лептоспиры (leptos – тонкий, нежный).
Tрепонемы вызывают у человека сифилис, лептоспиры – лептоспироз, боррелии – поворотный тиф. Существует большая группа непатогених спирохет (собственно спирохеты, сапроспиры, кристиспиры). Нитевидные бактерии для человека непатогенны. Тиобактерии и железобактерии являются жителями почв, водоемов, участвуют в процессах круговорота веществ в природе. К этой группе микроорганизмов можно отнести и актиномицеты, которые способны вызывать у человека тяжелые заболевания – актиномикозы.
Ультраструктура бактериальной клетки.
Бактериальные клетки это прокариотические живые системы.
Между ними и эукариотами (eu – настоящий, karyon – ядро) существуют существенные отличия. Самым существенным признаком прокариотив является отсутствие ядра. Его роль играет нуклеоид – ядерное вещество, которое диффузно расположено в цитоплазме и не ограниченной от нее кариолеммой. Нуклеоид клетки состоит из одной нити ДНК, замкнутой в кольцо, гистиноподобные белки и ядрышко отсутствуют. У бактерий нет таких органелл, как митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулюм, хлоропласты, микротельца. Однако они имеют мезосомы, функция которых аналогична митохондриальной. Константа седиментации микробных рибосом составляет 70S, в то время как у эукариотов – 80S. Существуют также существенные отличия по строению жгутиков, наличием вакуолей и тому подобное. Невзирая на такие кардинальные отличия в структуре клеток разных систем, общий план их строения остается подобным. Прокариотический организм содержит в себе почти все клеточные элементы: оболочку, цитоплазму, ядерный аппарат, включения.
Нуклеоид. Ядерный аппарат бактериальной клетки занимает ее центральную часть, имеет неправильную форму и не отделяется от цитоплазмы оболочкой, сочетает с цитоплазматической мембраной и мезосомой.
Цитоплазма бактериальных клеток имеет жидкую консистенцию, прозрачная, гомогенная, отделяется от внешней среды цитоплазматической мембраной. Она является своеобразной коллоидной системой, которая состоит из разнообразных молекул белков, липидов, воды, ДНК и РНК, углеводов, полисахаридов и других соединений. Вязкость ее в 800-8000 раз превышает аналогичный показатель воды. Строение и консистенция цитоплазмы зависит от возраста микроба – гомогенная у молодых клеток она постепенно превращается в мелкозернистую структуру у старых. В ней появляются вакуоля, волокнистые образования, увеличивается ее плотность, за консистенцией она напоминает гель.
В процессе жизнедеятельности микрооганизмив в цитоплазме появляются морфологически дифференцированные части, которые называют включениями. Они бывают разными по своей природе и выполняют разнообразные функции.
Порой у бактерий появляются особенные образования, которые называют вакуоли. Оболочка бактерий состоит из цитоплазматической мембраны, клеточной стенки и капсулы.
Содержимое клетки отделяется от окружающей среды с помощью цитоплазматической мембраны (ЦПМ). Ее строение у прокариотов и эукариотов подобно, что свидетельствует о существовании универсальной “элементарной мембраны”. Отличаются они только отсутствием стерола в первых. Мембрана – обязательный структурный компонент микробной клетки, без нее они погибают. По химическому составу она является белково-липидным комплексом с небольшим количеством углеводов. Формируя всего 8-15 % массы клетки, мембрана содержит до 70-90 % ее липидных субстанций.
Она состоит из двойного слоя фосфолипидних молекул. В этот слой вмонтированы интегральные белки, которые пронизывают его насквозь. Некоторые группы белков прикрепляются к поверхности мембраны, потому их называют периферийными. Порой мембрана покрывается еще одним особенным типом белка – поверхностным.
Они играют большую роль в жизнедеятельности клетки, поставляя ее энергией и активно участвуя в процессах репликации нуклеоида.
Клеточная стенка. Клеточная стенка создает защитный слой, который уравновешивает высокое внутреннее осмотическое давление бактерий (5-20 атмосфер). Такую прочность обеспечивает вещество – муреин, пептидогликан. Он состоит из особенных полимерных цепей, в которых чередуются остатки N -ацетилмурамовои кислоты и N -ацетилглюкозамину, в свою очередь соединенных между собой β-1,4-гликозидними связками. Остатки мурамовой кислоты соединяются пептидными связями с тетрапептидами аминокислот: L – и D -аланина, D -глутаминовой и мезодиаминопимелиновой кислот, L -лизина. Пептидными мостиками такие гетерополимерные цепи связываются между собой, образовывая гигантский муреиновый мешок.
По особенностям строения микробного муреинового каркаса и содержимым некоторых веществ в клеточной стенке можно отличить так называемые грамположительные бактерии от грамотрицательных. Деление на эти две группы было предложено в 1884 г. Христианом Грамом, который обратил внимание на особенности окрашивания микробов.
У грамположительных бактерий муреиновий слой составляет 30-70 % массы клеточной стенки, образовывая до 40 слоев. Вместо мезодиаминопимелиновой кислоты в нем содержится LL -диаминопимелинова кислота или лизин. Существенной особенностью является наличие особенных тейхоевых кислот.
Грамотрицательные бактериальные клетки имеют значительно более сложное строение стенки. В ее состав входит большее разнообразие биологических молекул. Муреиновий слой у них однослойный, складывает до 10 % массы сетки. Он содержит мезодиаминопимелинову кислоту, нет лизина, а межпептидные мостики отсутствуют. Тейхоевих кислот в стенке также нет. Внешне к муреинового слою прилегает слой липопротеина, который переходит во внешнюю мембрану, которая состоит из белков, фосфолипидов и липополисахаридов, типичных для элементарных мембран. Над мембраной, интегрируясь с ней, размещается липополисахарид.
Клеточная стенка кроме выполняет опорную и защитную функции.
Следует заметил, что в природе существуют микроорганизмы, у которых нет клеточной стенки. Они называются микоплазмами и имеют выраженные патогенные свойства, вызывая разнообразные заболевания дыхательной, сердечно-сосудистой, сечо-видильнои систем.
Капсула. Внешне бактериальная клетка может быть покрыта веществом слизистого характера. Она не имеет для микроба жизнеобеспечивающего значения, однако защищает его от действия неблагоприятных факторов внешней среды, обеспечивает стойкость к фагоцитозу, защищает от проникновения бактериофагов, обеспечивает вирулентные свойства возбудителей. По своему химическому строению капсула принадлежит к субстанциям полисахаридов, а в B. anthracis – к белковым. Характерным для капсулы является наличие большого количества воды.
Капсулу можно рассматривать в обычном световом микроскопе, если окрашивать нативные препараты простым методом. Однако для выявления капсул чаще используют метод Бурри-Гинса, при котором фон препарата создают тушью, а микроорганизм дополнительно окрашивают фуксином. В таких случаях на темном фоне видно красная палочка, которая окружена светлым ободком, – капсулой.
Жгутики. Поверхность тела микроорганизмов может быть покрыта особенными выростами, которые называются жгутиками, которые обеспечивают локомоторную функцию. Длина жгутиков достигает 20 мкм, тогда как толщина – всего 12-18 нм, что лежит за пределами разрешающей способности микроскопа. Жгутики бактерий состоят из спирально закрученных нитей особенного белка флагелина, который образует спираль вокруг внутреннего полого пространства. У них выделяют три основные части: спиральную нить, крюк и базальное тело (два-четыре специальных кольца с центральным стержнем), с помощью которых жгутик закрепляется в цитоплазматической мембране и клеточной стенке).
По способу расположения жгутиков микроорганизмы разделяются на ряд групп.
Монотрихи – бактерии, которые содержат жгутик на одном из полюсов клетки (холерный вибрион). Такие микроорганизмы самые подвижные среди других: за 1 с они способны перемещаться на расстояние, которое в 20 раз превышает длину их тела. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из полюсов (псевдомонады, Bacillus megaterium). В амфитрихив жгутики или их пучки расположены на обоих полюсах (спириллы). Перитрихи имеют жгутики, размещенные по всей поверхности тела микроба (протей, эшерихии, сальмонелы), число их может достигать 1000.
Обнаружить жгутики можно с помощью прямых и непрямых методов. При непрямых методах наблюдают за движением микроорганизмов в темном поле микроскопа, в “висячей” или “раздавленной” каплях, с помощью фазово-контрастной, аноптральной микроскопии. С помощью прямых методов жгутики окрашивают красителями, или солями металлов, предварительно нанося на них протраву для увеличения в размерах, или исследуют на ультратонких срезах под электронным микроскопом.
К поверхностным структурам бактериальной клетки принадлежат разнообразные придатки, которые называются пили (pilus – волос), стебельки, шипики и тому подобное. Особенным типом таких образований являются ворсинки, фимбрии (fimbria – нить). Их число может превышать 10000, длина достигает до 2 мкм, а толщина – 3-25 нм. Они состоят из белковых субъединиц. Описанные ворсинки двух классов. Общие ворсинки (1-го класса) обеспечивают адгезию (прикрепление) микроба к субстрату, сквозь них внутрь клетки могут проникать некоторые метаболити и даже бактериофаги. Ворсинки 2-го класса (половые) участвуют в передаче генетической информации от клетки к клетке при конъюгации.
Спорообразование. На определенной стадии своего развития, когда запасы питательных веществ исчерпываются, бактерии внутри формируют спору (эндоспору) округлой формы.
Для них характерное появление дополнительных оболочек, которые предотвращают диффузию и проникновение веществ извне, обусловливают высокую стойкость к повреждающим факторам внешней среды и способность длительное время сохранять свою жизнеспособность. Споры образуют два рода грамположительных палочек – Bacillus (спора за диаметром меньше поперечника палочки) и Clostridium (спора превышает размеры палочки) и один род грамположительных кокков (Sporosarcina).
Споры образуются только во внешней среде, в организме животных и человека процесса споруляции не происходят. Они имеют эволюционное значение, обеспечивая сохранение вида, а не выполняя функцию размножения.
