Предмет мікробіології; історія її розвитку та завдання. Медична мікробіологія. Основи класифікації і морфології мікроорганізмів, вірусів і бактеріофагів. Фізіологія мікроорганізмів. Віруси. Взаємодія вірусів з клітиною. Фізіологія мікроорганізмів.
Історія розвитку мікробіології.
Мікробіологія (від гр. mikroV – малий, bioV – життя і logos – вчення) – наука, яка вивчає найдрібніші, переважно одноклітинні, жива істоти, названі мікроорганізмами. Об’єктами вивчення мікробіології є бактерії, гриби, найпростіші, рикетсії та віруси. Вона вивчає їх форму, будову і ультраструктуру (морфологію), біохімічну активність, прояви і закономірності життєдіяльності (фізіологію), спадковість і мінливість (генетику), роль в кругообізі речовин у природі, в підтриманні екологічної безпеки, у виникненні і розповсюдженні інфекційних хвороб серед людей, тварин і рослин (мікробну екологію).
При середній гостроті зору людина може бачити неозброєним оком лише ті об’єкти, розмір яких не менше
Мікроорганізми надзвичайно широко розповсюджені в природі. Вони буквально всюдисущі і супроводжують людину від народження до самої смерті. Щодня, щогодини ми поглинаємо велику кількість мікробів разом з їжею, водою, повітрям. На шкірі людини, в її ротовій і носовій порожниниах, у кишечнику живе і проявляє свою діяльність безліч мікроорганізмів. У величезних кількостях їх знаходять у землі, воді, повітрі, причому на всіх широтах, на всіх материках і континентах. Світові запаси вугілля і нафти, величезні поклади руд, сірки, селітри – все це результат діяльності мікробів. Вони в значній мірі обумовлюють урожайність полів. Випечка хліба, виготовлення молочних продуктів, вина, пива, спирту, оцету, ацетону, обробка шкіри і хутра можлива завдяки успішному використанню мікроорганізмів. Отже вони приносять велику користь людству.
Але серед величезної кількості мікроорганізмів є й такі, які несуть смерть людям, тваринам і рослинам. Для них не існує будь-яких географічних і державних кордонів. Викликані ними захворювання часто розповсюджуються з разючою швидкістю. Епідемії чуми і холери, віспи і грипу, кору і дифтерії часом захоплювали цілі материки і навіть потрясали весь світ. Були часи, коли вони завдавали більше людських жертв, ніж самі страшні і спустошуючі війни. Тільки під час однієї епідемії чуми у 14 столітті в Європі загинуло понад 25 млн чоловік і 35 млн – в Азії. Вона ввійшла в історію культурних народів під назвою “чорної смерті” і була самою жорстокою з усіх описаних епідемій. Незлічені жертви жовтої гарячки, малярії, туберкульозу, лепри, висипного тифу, гепатитів, сифілісу та інших хвороб. Сьогодні людству з неймовірною силою і швидкістью загрожує СНІД.
Отже мікроорганізми відіграють важливу роль як в житті людини, так і в процесі діяльності лікаря, фельдшера та медичної сестри.
Медична мікробіологія вивчає систематику, номенклатуру і класифікацію найбільш відомих хвороботворних для людини мікроорганізмів. Великим і важливаим її розділом є вчення про інфекцію та імунітет, антибіотики та інші хіміотерапевтичні препарати. Вона розробляє сучасні методи бактеріологічних, вірусологічних та імунологічних досліджень і їх використання при лабораторній діагностиці інфекційних хвороб, застосування вакцин, імунологічних препаратів та еубіотиків для їх специфічного лікування і профілактики.
Крім медичної мікробіології успішно розвиваються і проблеми загальної мікробіології. Адже мікроорганізми відіграють важливу роль у біосфері нашої планети, в кругообізі речовин у природі, в підтриманні життя на землі. Саме мікроби складають основні ресурси людства в отриманні штучного білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, гормональних препаратів та інших цінних речовин, що успішно використовуються в деяких видах промисловості, клінічній медицині, стоматології і т.п.
Бурхливий розвиток мікробіології, вірусології та імунології створив важливі передумови для становлення і швидкого формування нових сучасних напрямків – біотехнології, молекулярної біології, генної інженерії. Завдяки цьому мікробіологічна промисловість одержала можливість випускати ряд біологічноактивних речовин, бактерійних та імунних препаратів, з допомогою яких можна досить ефективно і швидко діагностувати, лікувати і попереджувати виникнення багатьох інфекційних хвороб.
Особливо швидко і успішно розвивається наука про віруси. Встановлено, що основну масу заразних хвороб викликають саме вони. Спричиняючи масові, а часом глобальні вірусні інфекції, такі як грип, гепатити, ентероколіти, СНІД, вони не тільки завдають великої шкоди для здоров’я людей, а й приводять до величезних втрат в економіці. У зв’язку з цим особливо пріоритетним є проведення фундаментальних дасліджень в галузі вірусології, направлених на розробку сучасних методів експрес-діагностики, лікування і профілактики найбільшрозповсюджених і небезпечних для життя вірусних інфекцій.
У зв’язку з великими запосами науки і практики пройшла диференціація мікробіолонгії на окремі наукові дисципліни. В наші дні самостійного значення набула загальна мікробіологія, промислова, ветеринарна, санітарна, сільськогосподарська і медична. Набувають значення самостійних харчова і водна мікробіологія та вірусологія. У зв’язку з освоєнням космосу виникла космічна мікробіологія, яка вивчає зміни земних мікробів у космічному просторі а також як змінюється нормальна мікрофлора тіла людини у космонавтів.
Які ж основні досягнення і завданні мікробіологічної науки сьогодні? Які перспективи її розвитку в майбутньому?
За останні кілька десятиліть мікробіологія має величезні досягнення. Запропоновані високоефективні вакцини – дифтерійну, туляремійну, поліомієлітну, корову, паротитну, проти жовтої гарячки та ін. У глобальному масштабі переможено віспу. Медицина добилася значних успіхів у лікуванні інфекційних хвороб антибіотиками, сульфаніламідними та нітрофурановими препаратами. Лікарі мають можливість успішно лікувати такі хвороби, які в минулому давали високук смертність – чуму, холеру, туберкульоз, боитулізм, сибірку, дифтерію, скарлатину, сепсис, пневмонію та ін. Велика заслуга в цьому і вчених-мікробіологів.
Бурхливими темпами розваивається вірусологія, генетика бактерій і вірусів. Відкриті збудники бахатьох вірусних інфекцій, є великі успіхи в культивуванні вірусів на культурах клітин, фундаментально досліджено механізм взаємодії вірусів з клітиною – цю центральну проблему вірусології. Це дало змогу вивести такі штами бактерій і вірусів, на основі яких отримані нові біолгічно активні речовини, діагностичні та лікувальні препарати (моноклональні антитіла, інтерферони, інтерлейкіни, вакцини другого і третього поколінь та ін.). Але найбільшого прогресу досягла сучасна імуноголія. Сьогодні вже створена загальна імунологічна концепція, яка об’єднала інфекційний і неінфекційний розділи імунології, досліджені центральні і периферичні органи імунної системи, сформульована і одержала всесвітнє визнання селекційна теорія імунітету.
І все ж окремі інфекцйні хвороби ще мають значне поширення. Нині щорічно реєструється понад 1 млрд респіраторних і кишечних інфекцій. Щорічно від туберкульозу на планеті помирає більше 3 млн чоловік, від кору – понад 1 млн дітей. Знову зареєстровані спалахи холери, дифтерії, лептоспірозів. Такі глобальні вірусні інфекції як грип, епідемічний гепатит, СНІД являють серйозну загрозу для здоров’я людей. Нажаль ми ще не маємо надійних засобів попередження цих захворювань. Розробка ефективних вакцин протти грипу, гепатитів і СНІДу – надзвичайно актуальна проблема для мікробіологічної науки.
Важливого значення набуває розробка автоматизованих методів лабораторної діагностики інфекційних хвороб. Необхідно також розробляти світові стандарти оцінки активності антибіотиків. Значні зусилляпотрібно напрвити на вичення ролі вірусів в етіології злоякісних пухлин.
Вклад українських учених в розвиток мікробіології
При викладенні історії розвитку мікробіології майже в усіх підручниках висвітлювали переважно роль європейських і російськтх мікробіологів. Досягнення українських вчених або замовчувалися, або їх вважали російськими. В той же час ще на межі ХІХ і ХХ століть в нашій країні вже формувалися цілі школи мікробіологів (одеська, київська, харківська), які збагатили мікробіологічну науку важливими відкриттями.
Патріархом українських мікробіологів був І.І.Мечников, діяльність якого висвітлена вище.
Виключно великий вклад в розвиток загальної мікробіології вніс геніальний український вчений С.М.Виноградський (1856-1953). Його ім’я стоїть поряд з імкнами пастера, Коха. Кона. Він відкрив сіркота залізобактерій, нітрифікуючі та азотфікуючі мікроби, з’ясував їх роль у кругообізі речовин в природі. Високо оцінивши прямий метод дослідження грунтових мікроорганізмів Кона, він удосконалив його і провів фундаментальне вивчення мікробного населення грунту. За ці блискучі дослідження автотрофних бактерій Виноградському було присуджено у 1892 р. в Харківському університеті науковий ступінь доктора наук без офіційного захисту дисертації. Після відкриття азотфікуючих бактерій Російська академія наук присвоїла йому у 1893 р. звання члена-кореспондента, а у 1923 р. – почесного академіка. На запрошення Пастера Виноградський приїзжає в Париж, де біля 30 років плодотворно працює в Інституті Пастера. Це був один з самих успішних періодів його науковоїх діяльності. Незважаючи на те, що Виноградський багато років працював у Росії, Німеччині та Франції саме Україна дала йому життя та щедрий талант.
Відомим ученим і послідовником Виноградського був В.Л.Омелянський (1867-1928), який збагатив мікробіологічну науку відкриттям анаеробних бактерій, які розкладають целюлозу.
До славної плеяди видатних українських мікробіологів належить академік Д.К.Заболотний (1866-1929).
Він вніс цінний вклад у медицину своїми дослідженнями по вивченню чуми, холери та інших інфекційних хвороб. У 1893 р. разом з Савченко він успішно провів героїчний дослід самозараження холерним вібріоном після попередньої імунізації через рот вакциною з убитих вібріонів. Заболотний створив вчення про природну вогнищевість чуми і експериментально доказав етіологічну ідентичність бубонної та легеневої форм цієї хвороби. Під час спеціальних наукових експедицій по боротьбі з чумою в Індії, Монголії, Манчжурії, Китаї, Ірані, Саудівській Аравії він вперше висунув гіпотезу, що дикі гризуни (ховрахи, тарбачани) є хранителями збудника чуми в природі і джерелом зараження людини в міжепідемічний період. Поряд з цим він вперше висловив думку про можливість зараження чумою через укуси червоних бліх (тарбаганових), які кусають і людину, що було блискуче підтверджено пізніше. Досконало досліджував епідемії холери на Україні та в Петербурзі, малярію на Кавказі, дифтерію та дизентирію на Поділлі.
Д.К.Заболотний став вченим широкої наукової ерудиції, з багатим досвідом науково-організаторської роботи в боротьбі з інфекціями. Його докторська дисертація присвячена вивченню експериментального сифілісу на мавпах.
Числені наукові праці Заболотного у галузі мікробіології та епідеміології (понад 200) отрима всесвітнє визнання. Струнка логіка нукового мислення, новизна висунутих ним ідей, чіткість проведення досліджень і організаційних заходів боротьба з епідемічними хворобами залишаються актуальними і сьогодні.
Д.К.Заболотний мав неабиякі організаторські здібності. У 1898 р. він організував першу кафедру бактеріології в Петербурзі, а в 1920 р. – першу кафедру епідеміології в Одесі. Підручник вченого “Основи епідеміології ” є підручником героїчної праці його життя.
З повною силою талант Заболотного розкрився на посту президента заснованої ним Академії України (1928-1929). Тоді ж він організував інститут мікробіології і вірусології, який носить його ім’я.
На перших етапах розвитку мікробіології найбільш численою і важливою була одеська школа бактеріологів. Основне значення мали роботи Мечникова і Гамалії, які організували першу бактеріологічну станцію в Одесі (1886). Після від’їзду Мечникова у Францію М.Ф.Гамалія (1859-1949) став главою одеської школи. Він вперше в Україні здійснив вакцинацію людей проти сказу, відкрив явище бактеріофагії, розробив інтенсивний метод виготовлення вісп’яної вакцини. Він автор більше 300 публікацій, з яких найбільше відомі праці по етіології чуми і холери, бактерійним токсинам, з питань інфекціх і імунітету, підручник “Основи бактеріології”.
На кафедрі мікробіології Дніпропетровського медичного інституту на протязі 25 років працював ветеран української мікробіології Ю.І.Деміховський. він виділив вірус Алма-Атинського енцефаліту з кліщів, доказав роль ешеріхій в етіології гемоколітів у дітей, застосував інгаляційний метд вакцинації проти кишкових і ранових інфекцій, сформував науковий напрямок по вивченню захисної ролі бактерій – продуцентів перекису водню. Автоор 120 робіт, двох підручників і чотирьох посібників з мікробіології для студентів.
Мікробіологічна наука в Україні знаходиться на такій стадії розвитку, що може внести великий вклад в добробут і здоров’я людей. Вона дала дивовижні відкриття в минулому, відіграє значну роль у багатьох сферах людського життя сьогодні і без сумніву буде великою наукою майбутнього.
Класифікація й номенклатура бактерій
Одна з перших спроб наукової класифікації бактерій належить датському зоологу О. Мюллеру, який ще у XVIII ст. виділив два роди – Monas i Vibrio. Пізніше німецький біолог Е. Геккель запропонував виділити мікроби в окреме царство Protista (protos – найпростіший). Воно охоплювало переважно одноклітинні мікроорганізми. Подальші дослідження привели до поділу цього царства на вищі (водорості, гриби, найпростіші) і нижчі (бактерії, ціанобактерії) протисти. Такий підхід сприяв чіткому поділу живого світу на прокаріотичні та еукаріотичні живі системи.
Сучасна систематика (таксономія) бактерій – наука про їх розподіл за певними групами (таксонами). Для їх характеристики враховують різноманітні властивості: морфологічні ознаки, здатність споживати атмосферний кисень, шляхи одержання енергії, оптимальна температура росту, рН середовища, здатність засвоювати певні речовини, наявність включень, склад клітинної стінки, вміст основ ДНК, екологічна ніша тощо.
Для назви мікроорганізмів використовують подвійну номенклатуру К. Ліннея. Перше слово вказує на рід і пишеться з великої літери. Воно походить від прізвища вченого, який відкрив і вивчав даний мікроорганізм, або характеризує якусь морфологічну ознаку. Друге слово означає вид, пишеться з малої літери і пов’язане з назвою хвороби, прізвищем автора та ін. Так, стафілокок золотистий має назву Staphylococcus aureus, збудник туберкульозу – Mycobacterium tuberculosis, кишкова паличка – Escherichia coli.
Найбільше визнання серед мікробіологів отримала класифікація мікроорганізмів, яка подана у Визначнику бактерій Д. Бергі (Bergey’s Manual Systematic Bacteriology).
Основною такcономічною категорією є вид – група близьких між собою організмів, які мають спільне походження, єдиний генотип, подібні морфологічні, фізіологічні, біохімічні, серологічні, екологічні та інші ознаки. Відповідно до Міжнародного кодексу номенклатури бактерій мікробіологи використовують такі таксономічні критерії систематики: вид – рід – родина – порядок – клас – відділ – царство.
Відповідно до неї царство Procaryotae поділено на 4 відділи за особливостями будови клітинної стінки, відношенням до фарбування за методом Грама та ін.: Gracilicutes (gracilis – тонкий, cutis – шкіра) – грамнегативні бактерії, Firmicutes (firmus – міцний) – грампозитивні бактерії, Tenericutes (tener – м’який, ніжний) – мікроби, які не мають клітинної стінки, Mendosicutes (mendosus – помилковий) – представники мікробного світу, що мають нетиповий пептидоглікан.
Згідно з цим визначником усі мікроорганізми поділені на 33 групи за ознаками, які винесено у назву групи: 1 – спірохети, 4 – грамнегативні аеробні палички й коки, 12 – грампозитивні коки, 13 – грампозитивні палички й бактерії, що утворюють спори, тощо. Всередині груп поділ мікробів відбувається на порядки, родини, роди, види.
Однак генетичні механізми, що лежать в основі мінливості, здатні забезпечувати тільки відносну стабільність ознак в межах одного виду, тому введено поняття про варіанти (типи) бактерій, які за деякими особливостями відрізняються від стандартних видів: морфовари (за морфологічними ознаками), біовари (за біологічними), ферментовари (за ферментативними), фаговари (за чутливістю до бактеріофагів), серовари (за антигенними властивостями), ековари (за екологічними нішами помешкання), патовари (за патогенністю для лабораторних тварин).
Існує таке важливе поняття як “штам” – сукупність мікробних особин одного виду, які виділено з різних джерел (організму людини, тварини, зовнішнього середовища), або з одного джерела, однак у різний час. У популяційну мікробіологію введено поняття “клон” – нащадки однієї мікробної клітини.
Морфологія і ультраструктура бактерій
Зовнішній вид мікроорганізмів напрочуд різноманітний. За формою бактерії поділяють на кокоподібні, паличкоподібні, звивисті та ниткоподібні.
Коки (kokkos – зерно, кісточка) – кулясті мікроорганізми сферичної, еліпсоподібної, ланцетоподібної або бобовоподібної форми. За картиною розташування мікробів у мазках, яка залежить від способу поділу клітин і наступного їх розходження, кокоподібні бактерії поділяють на ряд груп.
Мікрококи (micros – дрібний) характеризуються поодиноким і безладним розташуванням клітин. Як правило, це сапрофітні мікроорганізми і за звичайних умов не викликають захворювань у людини. Проте в осіб з імунодефіцитними станами або тих, хто переніс складні операції, трансплантації органів і тканин, вони можуть спричиняти бактеріємію, гнійно-септичні ускладнення.
Диплококи (diploos – подвійний) – група коків, які після поділу не розходяться, а існують парами. Типовими представниками є збудники епідемічного цереброспінального менінгіту та гонореї. Ці мікроорганізми мають характерну бобовоподібну форму і в мазках увігнутими сторонами повернуті один до одного. Збудники крупозної пневмонії та деяких інших гнійно-септичних процесів також належать до диплококів, але мають ланцетоподібну форму або форму полум’я свічки.
Стрептококи (streptos – намисто) – мікроби, які після поділу в одній площині не розходяться, а формують ланцюжки, що складаються з 3-4, а деколи й десятків клітин круглої або еліпсоподібної форми.
Частина їх є сапрофітами, представниками нормальної мікрофлори людини, інші викликають важкі гнійно-септичні процеси (пневмонію, менінгіт, остеомієліт, холецистит, сепсис тощо). Доказана роль стрептококів у розвитку скарлатини, ревматизму, бешихи.
Тетракоки (tetra – чотири) – коки, які після поділу у двох взаємно перпендикулярних площинах утворюють тетради. Як правило, ці мікроорганізми непатогенні для людини.
Сарцини (sarcina – пака, тюк) – коки, у яких поділ відбувається в трьох взаємно перпендикулярних площинах, а після поділу вони не розходяться і розташовуються у вигляді паків з 8, 16, 32, 64 клітин.
Патогенних представників серед них немає.
Стафілококи (staphyle – гроно) – коки, які діляться в декількох площинах, клітини розташовуються хаотично, у вигляді скупчень, що в мазках із чистої культури нагадують виноградне гроно.
Стафілококи – убіквітарні мікроби, зустрічаються в повітрі, грунті, організмі людини і тварин. Чисельні їх представники спричиняють різноманітні гнійно-септичні захворювання: фурункул, карбункул, гідроаденіт, флегмону, нефрит, холецистит, менінгіт, пневмонію, сепсис тощо. Практично в організмі людини немає органів і тканин, які не ушкоджуються стафілококами.
Не менш дивовижний світ паличкоподібних або циліндричних бактерій, які за своєю кількістю перевищують кокові мікроорганізми. Середні розміри їх 0,5-1,5 мкм завдовжки і 0,5-2 мкм завширшки.
Паличкоподібні бактерії мають різноманітну форму (циліндричну, еліпсоподібну, овальну, веретеноподібну, у вигляді барабанної палички або тенісної ракетки). Їх кінці можуть бути рівні або нібито обрублені й навіть увігнуті (збудник сибірки), заокруглені (кишкові палички, збудники черевного тифу, дизентерії). Зустрічаються паличкоподібні форми із загостреними кінцями (фузобактерії), булавоподібними потовщеннями на них. Часто трапляються мікроби, що мають розгалуження (мікобактерії туберкульозу). Це дозволяє розпізнавати вид мікроорганізмів, що має велике значення при лабораторній діагностиці.
Паличкоподібні бактерії, залежно від здатності утворювати спори та їх діаметру, поділяють на власне бактерії, бацили і клостридії. Власне бактерії – мікрооганізми, які не здатні до утворення спор. До них належать збудники сальмонельозів, черевного тифу, дифтерії, туберкульозу, кашлюка.
Бацили (bacillus – паличка) і клостридії (closter – веретено) здатні утворювати спори. До першої групи належать збудники сибірки, до другої – збудники газової анаеробної інфекції, правця, ботулізму.
За аналогією з коками, залежно від способу розташування у мазках, паличкоподібні мікрооганізми поділяють на: а) монобактерії (кишкова, черевнотифозна, дизентерійна палички, збудник чуми
Спіралеподібні бактерії мають звивисту, штопороподібну форму. До цієї групи бактерій належать вібріони, спірили, спірохети.
Вібріони (vibrare – коливатись, тремтіти) – бактерії, з одним невеликим вигином розміром 1/4 завитка спіралі, що надає їм схожість із комою.
Представниками цієї групи є збудники холери і холероподібні вібріони, які населяють водоймища.
Спірили (spira – завиток, спіраль) – бактерії, які мають декілька вигинів, що надає їм форму штопора. Патогенним представником є спірила, яка викликає у людини содоку (хворобу укусу щурів).
До цієї групи мікроорганізмів належать також кампілобактерії та гелікобактерії, які здатні спричиняти у людини захворювання шлунково-кишкового тракту, сечостатевої системи.
Спірохети (speira – виток, haite – довге волосся) також мають штопороподібну форму і розрізняються між собою числом завитків і довжиною (довжина може сягати 500 мкм, а діаметр збудників – 0,3-1,5 мкм). Серед них виділяють патогенні для людини трепонеми (trepo – повертати, nemo – нитка),
борелії (за прізвищем французького бактеріолога A. Боррела)
і лептоспіри (leptos – тонкий, ніжний).
Tрепонеми викликають у людини сифіліс, лептоспіри – лептоспіроз, борелії – поворотний тиф. Існує велика група непатогених спірохет (власне спірохети, сапроспіри, кристиспіри).
Ниткоподібні бактерії для людини непатогенні. Тіобактерії та залізобактерії є мешканцями грунтів, водоймищ, беруть участь у процесах кругообігу речовин у природі. До цієї групи мікроорганізмів можна віднести й актиноміцети, які здатні викликати у людини тяжкі захворювання – актиномікози.
Описані морфологічні форми бактерій не обмежують існування мікробного царства. Деякі його представники можуть нагадувати кільце, шестикутну зірку, набувати червоподібної форми. Це, в основному, вільноживучі мікроорганізми, які беруть участь у процесах біодеградації різноманітних природних сполук. Патогених представників серед них немає, і в курсі медичної мікробіології вони не розглядаються.
Ультраструктура бактеріальної клітини. Бактеріальні клітини є прокаріотичними живими системами.
Між ними та еукаріотами (eu – справжній, karyon – ядро) існують суттєві відмінності, які дозволяють віднести представників мікробного світу до єдиного царства. Слід пам’ятати, що в еукаріотів тканини та органи складаються з окремих клітин, що знаходяться у фізіологічній метаболічній залежності і не можуть існувати окремо. Мікробна клітина – абсолютно автономний складний організм, здатний до самостійного, індивідуальнго існування.
Найсуттєвішою ознакою прокаріотів є відсутність ядра. Його роль відіграє нуклеоїд – ядерна речовина, яка дифузно розташована в цитоплазмі та не відмежована від неї каріолемою. Нуклеоїд клітини складається з однієї нитки ДНК, замкненої в кільце, гістоноподібні білки та ядерце відсутні. У бактерій немає таких органел, як мітохондрії, апарат Гольджі, ендоплазматичний ретикулюм, хлоропласти, мікротільця. Проте вони мають мезосоми, функція яких аналогічна мітохондріальній. Константа седиментації мікробних рибосом складає 70S, в той час як в еукаріотів – 80S. Існують також суттєві відмінності за будовою джгутиків, наявністю вакуолей тощо.
Незважаючи на такі кардинальні відмінності в структурі клітин різних систем, загальний план їх будови залишається подібним. Прокаріотний організм містить у собі майже всі клітинні елементи: оболонку, цитоплазму, ядерний апарат, включення.
Нуклеоїд. Ядерний апарат бактеріальної клітини займає її центральну частину, має неправильну форму і не відмежовується від цитоплазми оболонкою, поєднується з цитоплазматичною мембраною і мезосомою.
Він складається з однієї суперспіралізованої подвійної нитки ДНК діаметром до 2 нм, замкнутої в кільце, інтегрованої з РНК, РНК-полімеразою та білком у співвідношенні 1:1:3. Довжина цієї гігантської молекули може сягати до 1,5-
Як правило, в клітині нуклеоїд представлено однією копією, проте під час поділу клітини число цих копій може збільшуватись до 2-9. Досить часто бактерії поруч із хромосомною містять позахромосомну ДНК значно менших розмірів, також скручену в кільце і локалізовану в цитоплазмі. Такі елементи одержали назву плазміди. Вони детермінують синтез деяких речовин, ферментів, забезпечують стійкість бактерій до антибіотиків, отже, надають їм певних селективних переваг.
Ядерну субстанцію мікробів можна виявити в ультратонких зрізах при дослідженні їх в електронному мікроскопі, за допомогою імунофлуоресцентної, радіоімунної мікроскопії, радіоавтографії, а також забарвлюючи її за методами Робіноу-Фельгена, Пікарського тощо.
Цитоплазма бактерійних клітин має рідку консистенцію, прозора, гомогенна, відмежовується від зовнішнього середовища цитоплазматичною мембраною. Вона є своєрідною колоїдною системою, що складається з різноманітних молекул білків, ліпідів, води, ДНК і РНК, вуглеводів, полісахаридів та інших сполук. В’язкість її у 800-8000 разів перевищує аналогічний показник води. Будова і консистенція цитоплазми залежить від віку мікроба – гомогенна у молодих клітин вона поступово перетворюється на дрібнозернисту структуру в старих, набуваючи вигляду щільників. У ній з’являються вакуолі, волокнисті утворення, збільшується її густина, за консистенцією вона нагадує гель.
При ультрацентрифугуванні цитоплазми можна одержати “розчинну” фракцію, до якої входять різноманітні ферменти, і фракцію “часток” з мембран та рибосом. Рибосоми виконують роль фабрики синтезу білка, їх розмір досягає 16х18 нм. Складаються вони з двох білкових субодиниць 30S-50S. Клітина може містити до 5000-50000 рибосом, число їх збільшується при активному синтезі білка. Часом рибосоми збираються у скупчення, які називають полірибосомами або полісомами. Відмінності між рибосомами еукаріотичних та прокаріотичних організмів мають вирішальне значення у пошуках шляхів боротьби з останніми як збудниками інфекційних захворювань. Відомо, що деякі антибіотики здатні частково або повністю припиняти синтез білка саме на 70S рибосомах, залишаючи інтактними 80S рибосоми.
У процесі життєдіяльності мікрооганізмів у цитоплазмі з’являються морфологічно диференційовані частки, які називають включеннями. Вони бувають різними за своєю природою і виконують різноманітні функції.
Запасні речовини прокаріотів представлено полісахаридами, ліпідами, поліпептидами, поліфосфатами, сіркою. Як полісахариди відкладаються крохмаль, глікоген, гранульоза. У несприятливих умовах вони забезпечують клітину вуглецем та енергією.
Ліпіди можуть накопичуватись у вигляді гранул β-оксимасляної кислоти, їх можна побачити навіть при звичайній мікроскопії, забарвлюючи препарати суданом ІІІ або суданом чорним.
Широко розповсюджений тип поживних речовин – поліфосфати. Вони містяться у гранулах, які називають волютиновими, і використовуються клітинами як джерело фосфору. Крім того, вони мають макроергічні фосфатні зв’язки, отже, забезпечують потреби клітини в енергії. Зерна волютина називають ще метахроматичними включеннями, тому що вони забарвлюються в колір, невластивий основному барвнику. Наприклад, метиленова синька забарвлює їх у темно-фіолетовий колір, в той час як цитоплазму клітини – в голубий. Вперше включення такого типу було знайдено у Spirillum volutans, звідки вони й одержали таку назву. Наявність зерен волютину характерна для коринебактерій і, зокрема, для збудника дифтерії.
Аналогічну функцію забезпечення енергетичних потреб клітини можуть виконувати включення колоїдної сірки, а в деяких анаеробних мікроорганізмів вона виступає ще й донором електронів у біохімічних процесах.
Деколи у бактерій з’являються особливі утворення, які називають вакуолями. Їм відводять роль сховища різноманітних бактеріальних ферментів, а також резервуара, де скупчуються непотрібні клітині продукти обміну.
Оболонка бактерій складається з цитоплазматичної мембрани, клітинної стінки і капсули.
Вміст клітини відмежовується від навколишнього середовища за допомогою цитоплазматичної мембрани (ЦПМ) – м’якого, пластичного утворення. Її будова у прокаріотів і еукаріотів подібна, що свідчить про існування універсальної “елементарної мембрани”. Відрізняються вони тільки відсутністю стеролів у перших. Мембрана – обов’язковий структурний компонент мікробної клітини, без неї вони гинуть. За хімічним складом вона є білково-ліпідним комплексом із невеликою кількістю вуглеводів. Формуючи всього 8-15 % маси клітини, мембрана містить до 70-90 % її ліпідних субстанцій.
Дослідження під електронним мікроскопом показали, що мембрана є багатошаровим утворенням. Вона складається з подвійного шару фосфоліпідних молекул. Гідрофобні їх кінці (фосфоліпіди та тригліцериди) спрямовані всередину, а гідрофільні “головки” – назовні. Такий тип розташування стабілізує мембрану. В цей шар вмонтовано інтегральні білки, які пронизують його наскрізь. Деякі групи білків прикріплюються до поверхні мембрани, тому їх називають периферійними. Деколи мембрана покривається ще одним особливим типом білка – поверхневим.
Елементарна мембрана здатна утворювати інвагінати, які називаються мезосомами.
Вони відіграють велику роль у життєдіяльності клітини, постачаючи її енергією та беручи активну участь у процесах реплікації нуклеоїда.
Функції мембранного комплексу різноманітні: він забезпечує селективну проникність та транспорт різноманітних речовин іззовні всередину і навпаки завдяки існуванню в ньому особливих білків-ферментів пермеаз; здійснює транспорт електронів та окисне фосфорилювання субстратів; генерує електрохімічну енергію трансмембранного потенціалу; виділяє гідролітичні ферменти; проявляє біосинтетичну активність; є місцем прикріплення джгутиків.
Виявити цитоплазматичну мембрану можна в ультратонких зрізах бактерій під електронним мікроскопом.
Деякі поверхнево-активні речовини і антибіотики (поліміксини) здатні руйнувати мембрану і викликати загибель клітини. Це використовується в пошуках оптимальних шляхів боротьби зі збудниками інфекційних хвороб.
Клітинна стінка. Клітинна стінка створює захисний шар, який врівноважує високий внутрішній осмотичний тиск бактерій (5-20 атмосфер). Таку міцність забезпечує речовина – муреїн, пептидоглікан. Він складається з особливих полімерних ланцюгів, у яких чергуються залишки N-ацетилмурамової кислоти і N-ацетилглюкозаміну, в свою чергу сполучених між собою -1,4-глікозидними зв’язками. Залишки мурамової кислоти з’єднуються пептидними зв’язками із тетрапептидами амінокислот: L– і D-аланіну, D-глутамінової та мезодіамінопімелінової кислот, L-лізину. Пептидними містками такі гетерополімерні ланцюги зв’язуються між собою, утворюючи гігантський муреїновий мішок.
Те, що до складу бактерій входять речовини, відсутні в тваринних і рослинних клітинах (N-ацетилмурамова кислота і N-ацетилглюкозамін), створює можливість цілеспрямованого знищення бактерій деякими антибіотиками (пеніциліни, цефалоспорини), оскільки клітинні стінки еукаріотів при цьому не пошкоджуються. Створена з муреїну структура виконує функцію опорного каркасу, надаючи форму мікробній клітині, крім того, з ним зв’язуються інші речовини.
За особливостями будови мікробного муреїнового каркасу і вмістом деяких речовин у клітинній стінці можна відрізнити так звані грампозитивні бактерії від грамнегативних. Поділ їх на ці дві групи було запропоновано у 1884 р. Христіаном Грамом, який звернув увагу на особливості фарбування мікробів.
У грампозитивних бактерій муреїновий шар складає 30-70 % маси клітинної стінки, утворюючи до 40 шарів. Замість мезодіамінопімелінової кислоти в ньому міститься LL-діамінопімелінова кислота або лізин. Суттєвою особливістю є наявність особливих тейхоєвих кислот.
Під електронним мікроскопом таку клітинну стінку видно як губчасту структуру з порами діаметром 1-6 нм.
Грамнегативні бактеріальні клітини мають значно складнішу будову стінки. До її складу входить більше розмаїття біологічних молекул. Муреїновий шар у них одношаровий, складає до 10 % маси сітки. Він містить мезодіамінопімелінову кислоту, немає лізину, а міжпептидні містки відсутні. Тейхоєвих кислот у стінці також немає. Зовні до муреїнового шару прилягає шар ліпопротеїну, який переходить у зовнішню мембрану, що складається з білків, фосфоліпідів і ліпополісахаридів, типових для елементарних мембран. Над мембраною, інтегруючись із нею, розміщується ліпополісахарид.
Він має внутрішнє й зовнішнє полісахаридне ядро, пов’язане з ліпідом А. За зовнішніми специфічними боковими ланцюгами ліпополісахаридів збудники можна диференціювати один від іншого, що використовується при ідентифікації. Ліпід А забезпечує токсичні властивості мікробної клітини, викликаючи в людини підвищення температури, пронос та інші прояви хвороби.
Клітинна стінка крім опорної та захисної виконує ще ряд важливих функцій. Зокрема, вмонтовані у фосфоліпідний шар трансмембранні білки (порини) – це заповнені водою канали, через які проходять низькомолекулярні сполуки. Периплазматичний простір між цитоплазматичною мембраною та клітинною стінкою у грамнегативних бактерій виступає сховищем для різноманітних ферментів – деполімераз, протеїназ, нуклеаз, рестрикційних ферментів, відіграє роль у забезпеченні осморегуляції.
Під впливом різноманітних речовин клітинна стінка може бути знищена. Так, при дії лізоциму на суспензії грампозитивних мікрококів виникає їх швидкий лізис і просвітління середовища. Аналогічний ефект спричиняє пеніцилін. Лізоцим розриває в муреїні глікозидні зв’язки, а пеніцилін попереджує утворення пептидоглікану, що супроводжується руйнуванням клітинної стінки. При цьому утворюються чутливі до осмотичних умов округлі клітини – протопласти, у яких повністю втрачена клітинна стінка. При дії вказаних препаратів на грамнегативні бактерії формуються клітини, які зберігають рештки клітинної стінки. Їх називають сферопластами.
Протопласти і сферопласти належать до субклітинних форм бактерій. Вони мають круглу форму, високочутливі до осмотичних умов середовища, утворюють спори, якщо був ініційований процес споруляції, але не мають здатності до розмноження. Сферопласти, на відміну від протопластів, здатні адсорбувати на своїй поверхні бактеріофаги і відновлюватись у вихідні форми при відміні дії чинників, які викликали їх утворення.
В організмі людини і тварин при антибіотикотерапії (пеніцилін, бацитрацин, новобіоцин) створюються умови для порушення синтезу пептидоглікану, а бактерійні клітини, втрачаючи свою клітинну стінку, перетворюються в L-форми. Цеж клітини до 50 мкм у діаметрі, які зберігають тенденцію до перетворення у вихідні форми, продукують токсини, гіалуронідазу. Описані такі форми бактерій у збудників гонореї, туберкульозу, черевного тифу, бруцельозу та інших. Вони здатні викликати у людини захворювання, які супроводжуються тривалим перебігом. Утворення таких форм мікроорганізмів вважають за спосіб переживання несприятливих факторів зовнішнього середовища.
Слід відмітити, що в природі існують мікроорганізми, у яких немає клітинної стінки. Вони називаються мікоплазмами і мають виражені патогенні властивості, викликаючи різноманітні захворювання дихальної, серцево-судинної, сечо-видільної систем.
Клітинну стінку мікробів можна зруйнувати лугом, ультразвуком, механічним методом. Виявити її можна різними способами: спостерігаючи в електронному, фазовоконтрастному та аноптральному мікроскопах, при мікроскопії автолізованих бактерій, застосовуючи спеціальні методи забарвлення (сафраніном, синьою вікторією).
У лабораторних умовах легко дослідити наявність клітинної стінки, використовуючи явище плазмолізу. При цьому клітину занурюють у гіпертонічний розчин хлориду натрію або 0,2М розчин нітрату калію. Вода за градієнтом концентрації виходить із клітини назовні, цитоплазматична мембрана разом із цитоплазмою зморщуються, відшаровуючись від стінки, яка зберігає форму бактеріальної клітини і стає видимою під мікроскопом.
Капсула. Зовні бактеріальна клітина може бути вкрита речовиною слизового характеру. Вона не має для мікроба життєзабезпечуючого значення, однак захищає його від дії несприятливих факторів зовнішнього середовища, надає стійкості до фагоцитозу, захищає від проникненя бактеріофагів, забезпечує вірулентні властивості збудників. За своєю хімічною будовою капсула належить до полісахаридних субстанцій, а у B. anthracis – до білкових. Характерним для капсули є наявність великої кількості води.
У деяких мікроорганізмів капсула утворюється тільки в організмі тварин або людини (пневмококи, збудники сибірки, чуми та ін.), у інших (клебсієли) вона присутня постійно, навіть коли збудник росте на живильному середовищі. Інколи капсула оточує разом декілька клітин (сибіркова бацила), тоді такі утворення називають зооглеями.
Стафілококи, збудники дифтерії, деякі стрептококи та інші бактерії здатні утворювати мікрокапсули, особливо при культивуванні на середовищах, багатих на вуглеводи.
Капсулу можна розглядати у звичайному світловому мікроскопі, якщо забарвлювати нативні препарати простим методом. Однак для виявлення капсул частіше використовують метод Буррі-Гінса, при якому фон препарата створюють тушшю, а мікроорганізм додатково забарвлюється фуксином. У таких випадках на темному фоні видно червону паличку, ка оточена світлим ободком – капсулою.
Джгутики. Поверхня тіла мікроорганізмів може бути вкрита особливими виростами, що називаються джгутиками, які забезпечують локомоторну функцію. Їх число, спосіб розміщення, довжина є постійними ознаками для певного виду бактерій, що враховується при проведенні систематики прокаріотичних організмів.
Довжина джгутиків досягає 20 мкм, тоді як товщина – всього 12-18 нм, що лежить за межами роздільної здатності мікроскопа. Джгутики бактерій складаються із спірально закручених ниток особливого білка флагеліну, який утворює спіраль навколо внутрішнього порожнистого простору. У них виділяють три основні частини: спіральну нитку, гак та базальне тіло (два – чотири спеціальних кільця з центральним стержнем), за допомогою яких джгутик закріплюється у цитоплазматичній мембрані та клітинній стінці).
1) монотрихи (V. cholerae), 2) амфітрихи (Spirillum volutans), 3) лофотрихи (бакетрії синьо-зеленого молока, Alcaligenes faeclis), 4) перитрихи (E. coli, Salmonella)
Виявити джгутики можна за допомогою прямих та непрямих методів. При непрямих методах спостерігають за рухом мікроорганізмів у темному полі мікроскопа, у “висячій” чи “роздавленій” краплях, за допомогою фазово-контрастної, аноптральної мікроскопії. За допомогою прямих методів джгутики забарвлюють барвниками, або солями металів, попередньо наносячи на них протраву для збільшення у розмірах, або досліджують на ультратонких зрізах під електронним мікроскопом.
Рух джгутиків забезпечується енергією трансмембранного потенціалу, яка генерується на цитоплазматичній мембрані. У більшості мікробів з полярним розташуванням джгутиків вони обертаються зі швидкістю 3000 обертів за 1 хв.
Джгутики мають пристосувальне значення. Вони надають клітині змогу переміщуватись у рідкому середовищі в пошуках більш сприятливих умов існування. У відповідь на зовнішні подразнення (хімічні речовини, температура тощо) або спонтанно здатні змінювати характер свого обертання і напрям руху. Це називають таксисом. Відповідно до факторів, що його викликають, розрізняють хемотаксис, фототаксис, аеротаксис.
До поверхневих структур бактерійної клітини належать різноманітні придатки, які позначають терміном пілі (pilus – волос): стебельця, шипики тощо. Особливим типом таких утворень є ворсинки, фімбрії (fimbria – торочка). Їх число може перевищувати 10000, довжина сягає до 2 мкм, а товщина – 3-25 нм. Як і джгутики, вони складаються з білкових субодиниць. Описані ворсинки двох класів. Загальні ворсинки (1-го класу) забезпечують адгезію (прикріплення) мікроба до субстрату, через них всередину клітини можуть проникати деякі метаболіти і навіть бактеріофаги. Ворсинки 2-го класу (статеві) беруть участь у передачі генетичної інформації від клітини до клітини при кон’югації.
Спороутворення. На певній стадії свого розвитку, коли запаси поживних речовин вичерпуються, бактерії всередині формують спору (ендоспору) округлої форми.
Від вегетативних форм вони відрізняються пригніченням функціонування генетичного апарата, майже повною відсутністю обміну речовин, малою кількістю вільної води, підвищеною концентрацією іонів кальцію, появою у складі дипіколінової кислоти, з якою пов’язують термостійкість спор. Для них характерна поява додаткових оболонок, які запобігають дифузії і проникненню речовин іззовні, більш висока стійкість до пошкоджуючих факторів зовнішнього середовища і здатність тривалий час зберігати свою життєздатність. Спори утворюють два роди грампозитивних паличок – Bacillus (спора за діаметром менше поперечника палички) i Clostridium (спора перевищує розміри палички) і один рід грампозитивних коків (Sporosarcina).
Спори утворюються тільки в зовнішньому середовищі, в організмі тварин та людини процесу споруляції не відбувається. Вони мають еволюційне значення, забезпечуючи збереження виду, а не виконуючи функцію розмноження.
Спороутворення починається, коли в оточуючому клітину середовищі зникають джерела азоту та вуглецю.
Спочатку в клітині при інвагінації мембрани виділяється особливе термінальне ядро, яке містить один клітинний геном, компоненти апарата синтезу білка і власну енергетичну систему. Воно вкривається власною мембраною та мембраною материнської клітини, які утворюють стінку спори. Вона складається з нормального пептидоглікану. Стінку оточує кора, яка містить незвичний пептидоглікан з малим числом поперекових з’єднань і чутливий до лізоциму (автоліз його відіграє вирішальну роль у процесі проростання спори). Оболонка спори складається з кератиноподібного білка і зумовлює погану проникність і стійкість його до хімічних речовин. Екзоспорій оточує всю спору і складається з ліпопротеїнів.
Індукція спороутворення відбувається протягом декількох годин. Розрізняють декілька стадій: підготовчу, передспори, утворення оболонок і дозрівання.
Фізіологія мікроорганізмів вивчає біохімічні й енергетичні процеси, що відбуваються в бактеріальній клітині й забезпечують відтворення її структурного матеріалу та енергетичні потреби.
Бактерії є складними живими організмами, в яких відбуваються різноманітні біохімічні перетворення. Вони зумовлюють ріст, розмноження, продукцію ферментів, токсинів та інших біологічно активних речовин, відповідають за регуляцію функціональної активності клітин, їх високу пластичність і здатність адаптуватись до умов зовнішнього середовища.
Хімічний склад бактерій. Як і всі живі істоти, бактерійна клітина складається з чотирьох основних елементів – азоту, вуглецю, водню, кисню. Вуглець складає 45- 55 % сухого залишку клітини, кисень – 25-30 %, азот – 8-15 % і водень – 6-8 %. Ці органогени служать матеріалом, з якого побудовано всі складові компоненти клітини: нуклеїнові кислоти, білки, ліпіди, вуглеводи, численні ферментні системи тощо.
Залежно від виду бактерії містять від 70 до 90 % води. Вона може знаходитись у вільному (в цитоплазмі) або зв’язаному стані. Вільна вода є середовищем, в якому відбувається розмаїття біохімічних перетворень (розщеплення й синтез речовин) внаслідок дії гідролітичних ферментів, в ній спостерігається рух іонів, вона виступає розчинником багатьох речовин, що надходять у клітину, забезпечує колоїдний стан цитоплазми.
Зв’язана вода – також необхідний компонет цитоплазми, проте вона не може служити розчинником. Втрата води клітиною призводить до її загибелі. Якщо бактерію помістити в гіпертонічний розчин, вода починає виходити з неї, цитоплазма зморщується, відшаровується від стінки, набуває вигляду дрібної грудочки, а клітина гине.
Сухий залишок становить 10-30 %. Він формується з білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів, полісахаридів, низькомолекулярних органічних речовин і солей.
У клітині нараховується понад 2,4 млн різноманітних білкових молекул 1850 видів
Білок складає до 55 % сухого залишку клітини. Його представлено простими та складними білками. Прості білки називають протеїнами. За своїм складом вони суттєво не відрізняються від білків еукаріотичних організмів. Основна їх маса міститься в цитоплазмі клітини, цитоплазматичній мембрані, клітинній стінці грамнегативних мікробів, нуклеоїді. Токсини збудників газової анаеробної інфекції, правця, ботулізму, фермент гіалуронідаза є простими білками.
Складні білки – протеїди свою назву отримали за здатність сполучатися з іншими речовинами. Так, білки, зв’язані з нуклеїновими кислотами, одержали назву нуклеопротеїди, з вуглеводами – глікопротеїди, ліпідами – ліпопротеїди, залізом, міддю- хромопротеїди. Вони відіграють важливу роль у життєдіяльності клітини. Так, нуклеопротеїди забезпечують суперспіралізацію нуклеїнових кислот; глікопротеїди входять до складу клітинної стінки, капсули й виконують захисну функцію, забезпечують особливості будови клітинних антигенів; ліпопротеїди зумовлюють токсичні властивості бактеріальних ендотоксинів, отже, вірулентність мікробів; хромопротеїди відповідають за дихальну функцію клітини, є переносниками кисню.
Тонкі фізико-хімічні дослідження дозволили встановити, що в клітині нараховується понад 2,4 млн різноманітних білкових молекул 1850 видів.
Клітинний метаболізм. Сукупність усіх біохімічних перетворень у клітині називається метаболізмом. Він відбувається за двома основними напрямками. Перший забезпечує синтез складних клітинних сполук із більш простих. Тому він одержав назву біосинтез, конструктивний метаболізм або анаболізм. Однак переважна більшість реакцій синтезу й розпаду потребує енергетичного забезпечення. Тому енергетичний метаболізм або катаболізм представляє собою потік реакцій, які супроводжуються накопиченням електрохімічної енергії, що потім викорстовується клітиною.
Конструктивний та енергетичний метаболізм – тісно пов’язаний між собою комплекс перетворень, часто їх шляхи співпадають, і одні й ті ж речовини використовуються для різних потреб. У цьому випадку такі субстрати називаються амфіболітами, а шляхи – амфіболічними.
Метаболічні цикли мікробів надзвичайно різноманітні. Вони здатні використовувати різні види енергії й численні вихідні субстрати для побудови власних структур. Саме цим зумовлюється убіквітарність їх розповсюдження.
Конструктивний метаболіз прокаріотів. Для того, щоб клітина могла існувати, повинен відбуватись постійний обмін речовин з навколишнім середовищем. У клітину ззовні мусить надходити пластичний матеріал, з якого вона синтезує всі необхідні їй молекули.
У конструктивному метаболізмі провідна роль належить сполукам вуглецю, з якого побудовано всі живі організми. Залежно від того, який вуглець засвоюють бактерії, вони поділяються на дві групи: автотрофи і гетеротрофи.
Автотрофи (autos – сам, trophe – живлення) здатні синтезувати всі необхідні їм органічні сполуки з CO2 як єдиного джерела вуглецю. Гетеротрофи (heteros -інший) – мікроорганізми, джерелом вуглецю для яких є органічні сполуки. Вони здатні споживати будь-які прості й складні вуглецеві сполуки – цукри, амінокислоти, багатоатомні спирти, парафіни та ін.
Ступінь вираження гетеротрофії у бактерій може бути найрізноманітніша. Найвищу гетеротрофність мають прокаріотичні організми, які здатні жити тільки всередині живих клітин (рикетсії, хламідії). Їх метаболічні шляхи повністю залежать від організму хазяїна. Такі мікрорганізми називають облігатними (суворими) паразитами.
Однак багато мікробів можна вирощувати на штучних живильних середовищах, до складу яких входять білки, пептиди, вітаміни, фрегменти нуклеїнових кислот. Такі форми бактерій, здатних рости поза клітинами людини або тварин при створенні необхідних умов, називають факультативними паразитами.
Більшість бактерій, що населяють земну кулю (понад 99 %), належать до сапрофітів. Вони безпосередньо від живих організмів не залежать і живляться за рахунок мертвих органічних залишків.
Мікроорганізмам необхідний азот для синтезу азотомістких сполук. Джерела його можуть бути різноманітними. Одні бактерії здатні засвоювати молекулярний азот повітря (бульбочкові мікроби), інші використовують різноманітні субстрати. Бактерії, як правило, засвоюють азот у відновленій формі – це солі амонію, сечовини, органічні сполуки (амінокислоти, пептиди). Однак окислені форми азотистих сполук (нітрати) також можуть бути засвоєні мікробами. У клітині вони відновлюються до аміаку за допомогою ферментів нітратредуктази й нітритредуктази.
Дикі штами бактерій здатні синтезувати всі необхідні їм речовини з обмеженого числа органічних сполук, наприклад, глюкози та солей амонію. Вони називаються прототрофами. Окремі мікроорганізми (варіанти прототрофів) втратили здатність до синтезу деяких необхідних їм ростових факторів, отже не можуть рости на мінімальних живильних середовищах. Їх називають ауксотрофними організмами.
Усі необхідні йони металів клітина одержує за рахунок неорганічних сполук. Деякі елементи (магній, кальцій, калій, залізо) потрібні в досить великих концентраціях. Потреби в інших (цинк, марганець, молібден, ванадій, кобальт) незначні. Проте їх роль у клітині надзвичайно різноманітна, так як вони входять до складу основних клітинних метаболітів, виконуючи життєво важливі функції.
При культивуванні бактерій крім білків, жирів та вуглеводів, які надходять у клітину з навколишнього середовища, до середовищ додають речовини, які виконують функцію стимуляторів росту. Вони включаються до складу клітинних метаболітів, каталізують біохімічні перетворення. Такими факторами є деякі вітаміни (біотин, тіамін, пантотенова кислота, холін, ціанокобаламін, нікотинова та фолієва кислоти), пуринові та піримідинові основи, жирні кислоти, гемін, коензим ферменту дегідрогенази.
Надходження речовин у клітину. Незважаючи на досягнення мікробіологічної науки у вивченні процесів обміну в бактеріальній клітині остаточно інтимні механізми транспорту поживних речовин в клітину і виведення метаболітів назовні не з’ясовано. Встановлено, що мікробам притаманний голофітний тип живлення, тобто вони здатні поглинати живильні речовини тільки в розчиненому вигляді .
Однак деякі субстрати не розчиняються у воді (білки, полісахариди), або утворюють колоїдні розчини, які не проникають у клітину. В такому випадку клітинні екзоферменти, які виділяються в навколишнє середовище, викликають гідроліз цих субстанцій, розщеплюючи їх до більш простих і дрібних молекул і переводячи в розчинний стан.
Виділяють декілька механізмів проникнення речовин. Пасивна дифузія функціонує тоді, коли створюється градієнт концентрації речовини всередині бактеріальної клітини та зовні. Вона відбувається пасивно, тому що не вимагає затрат енергії.
Полегшена дифузія здійснюється за рахунок особливих білків – пермеаз, які містяться в цитоплазматичній мембрані. Цей процес також не вимагає енергетичного забезпечення.
Однак більшість поживних речовин, метаболітів, іонів проникають у клітину за допомогою активного транспорту. Його також забезпечують білки-пермеази, але вони є високоспецифічними й здатні переносити тільки певні субстрати. Цей процес відбувається за рахунок енергії, яку генерує клітина, тому можливий перенос і проти градієнта концентрації речовини. Якщо цьому процесу передує певна хімічна модифікація молекули, його називають транслокацією хімічних груп. Виділяють також механізм іонного транспорту, при якому відбувається перенос у клітину окремих неорганічних іонів.
Конструктивний метаболізм. Обмін білків у мікроорганізмів відбувається за двома основними напрямками: розщеплення поліпептидів до амінокислот і біосинтетичні процеси, пов’язані з конструюванням нових молекул. Перший напрямок забезпечують ферменти екзопротеази, що виділяються в навколишнє середовище, та ендопротеази, які нагромаджуються в клітині. Кінцеві продукти -амінокислоти, – що утворюються під час цього процесу, можуть зазнавати дезамінування та декарбоксилювання, перетворюючись на аміак, вуглекислий газ, оксикислоти.
Ферменти мікроорганізмів. Усі біосинтетичні процеси та інші метаболічні перетворення в клітині відбуваються за участю особливих високоактивних біологічних каталізаторів, які називаються ферментами. Вони належать до 6 класів: гідролази (забезпечують реакції розщеплення за участю води), оксидоредуктази (каталізують різноманітні окисно-відновні реакції, беруть участь у процесах дихання), ізомерази (здійснюють перенос фосфатних груп у молекулах, спонукаючи процеси ізомеризації), трансферази (переносять аміногрупи, аденілові групи з одних субстратів на інші), ліази (каталізують реакції відщеплення хімічних груп негідролітичним шляхом), лігази (відповідають за синтез нових речовин, який відбувається за рахуноко енергії АТФ).
Здатність утворювати певні ферменти кодується клітинним геномом і є постійною ознакою бактерій. Так як бактеріальна клітина займає невеликий об’єм, у ній переважають адаптивні ферменти над конститутивними. Перша група ферментів синтезується тільки за умов наявності субстрату для їх дії. Ферменти другої групи постійно присутні в бактерії в певних концентраціях. Вони зумовлюють першочергові біосинтетичні потреби клітин.
Клітина виділяє ферменти в навколишнє середовище (екзоферменти). Там вони здійснюють контактне позаклітинне перетравлювання речовин або пошкоджують тканини організму господаря. Ендоферменти локалізуються на цитоплазматичній мембрані, в периплазматичному просторі.
Роль ферментативної діяльності мікроорганізмів важко переоцінити. Вони мають загальнобіологічне значення. Відома участь бактерій у кругообізі речовин у природі, формуванні родовищ корисних копалин (нафта, вугілля, поклади сірки). Мікроорганізми – прекрасні санітари довкілля. Вони здатні біодеградувати практично будь-які речовини, що забруднюють навколишнє середовище.
Людина поставила мікробні ферменти собі на службу. Їх широко використовують у різних галузях хімічної, харчової, фармацевтичної, парфумерної промисловостей, сільському господарстві, медицині.
Протеазами видаляють волосяний покрив зі шкір тварин, знімають желатиновий шар з кіноплівки. Ферменти, що забезпечують бродіння, використовуються для одержання бутанолу, ацетону, необхідних для проведення хроматографічних досліджень, етилового спирту, масляної кислоти. Кисломолочні продукти – кефір, йогурт, кисляк, кумис – також продукти діяльності бактерій бродіння.
Мікроорганізми використовуються у виноробстві, виробництві пива, при виготовленні вершкового масла, силосуванні кормів, квашенні овочів. Із дріжджів одержують білково-кормові добавки для вигодовування худоби. Як живильне середовище використовують парафіни – відходи нафти.
За допомогою мікроорганізмів та їх ферментних систем в медичній промисловості одержують гормони гідрокортизон, преднізолон, різноманітні алкалоїди. Пропіонібактерії, актиноміцети синтезують вітаміни (В12). Зі стрептококів одержано фібринолізин, стрептодорназу і стрептокіназу, які руйнують тромби в кровоносних судинах.
Оскільки здатність утворювати ферменти певної специфічності притаманна всім мікроорганізмам, це широко використовується в лабораторній практиці для ідентифікації бактерій. Її проводять за комплексом цукролітичних, протеолітичних, пептолітичних, ліполітичних та інших ферментів.
Дихання бактерій. Це один із шляхів біологічного окислення, який відбувається з утворенням молекул АТФ, тобто супроводжується нагромадженням енергії. Під час цього процесу одні речовини (органічні та неорганічні сполуки) служать донорами електронів і при цьому окислюються, акцепторами електронів виступають неорганічні сполуки, вони відновлюються. В одних мікроорганізмів кінцевим акцептором електронів виступає кисень, у інших – неорганічні сульфати, нітрати, карбонати.
Сьогодні, залежно від умов одержання енергії (способу дихання), прокаріоти поділяються на ряд груп. Облігатні аероби – мікроорганізми, для оптимальнгоо росту яких необхідно 21 % кисню. До них належать збудники туберкульозу, чуми, холерний вібріон. На поверхні рідких живильних середовищ вони ростуть, як правило, у вигляді плівки. Облігатні анаероби – бактерії, які ростуть при відсутності вільного молекулярного кисню за рахунок процесів бродіння. Вони одержують кисень з органічних сполук у процесі їх метаболізму. Деякі з них не виносять навіть незначної кількості вільного кисню. Такими бактеріями є збудники правця, ботулізму, газової анаеробної інфекції, бактероїди, фузобактерії та ін. Окремі клостридії можуть бути аеротолерантними. Для культивування їх використовують спеціальні живильні середовища й апарати (анаеростати), в яких створюються анаеробні умови за рахунок поглинання кисню або заміни його індиферентиними газами (азотом, воднем). Факультативні анаероби (факультативні аероби) пристосувались, залежно від умов середовища (наявності або відсутності кисню), переключати свої метаболічні процеси з використанням молекулярного кисню на бродіння та навпаки. Групу факультативних анаеробів формують численні представники родини кишкових бактерій (ешеріхії, сальмонели, шигели), стафілококи та деякі інші бактерії. Мікроаерофіли – особлива група мікробів, для яких концентрація кисню при культивуванні може бути зменшена до 2 %. Вищі його концентрації здатні затримувати ріст. Ця група представлена молочнокислими, азотфіксуючими бактеріями. Капнеїчними називають такі мікроорганізми, які потребують, крім кисню, ще й до 10 % вуглекислого газу. Типовими представниками є збудники бруцельозу бичачого типу.
Ріст і розмноження бактерій. Будь-яка жива істота здатна до росту та розмноження. Під ростом розуміють координоване відтворення бактеріальних структур і відповідно збільшення маси мікробної клітини. Розмноження – це здатність мікробів до самовідтворення, при цьому збільшується кількість особин у популяції на одиницю об’єму середовища
Розмноження бактерій – складний процес, пов’язаний із синхронною взаємодією багатьох їх структур. Починається воно з відтворення генетичного матеріалу – ДНК, яка локалізована в нуклеоїді. Спочатку відбувається реплікація (подвоєння) генетичного матеріалу напівконсервативним шляхом. Розпочинається вона з реплікативної точки на ДНК, розташованої в місці з’єднання мезосоми з цитоплазматичною мембраною. Нуклеїнова кислота деспіралізується, й нитки ДНК розходяться. Кожна з них є матрицею, на якій за принципом комплементарності синтезуються їх копії, які згодом об’єднуються у двониткову ДНК. Синтез дочірніх ниток ДНК відбувається ступенево, невеликими фрагментами по 1-2 тис. нуклеотидів, які пізніше зшиваються ферментом лігазою. Залежно від умов, реплікація може тривати 20-40 хвилин.
Паралельно з реплікацією починається утворення поперечної перегородки за рахунок цитоплазматичної мембрани. Потім вона оточується пептидогліканом. Під час реплікації та утворення перегородки клітина росте, синтезуються біополімери, з яких складатимуться цитоплазматична мембрана, рибосоми, цитоплазма.
Клітини відділяються одна від іншої, а в грамнегативних мікробів синтезується додатково зовнішня мембрана. Якщо клітини зберігають зв’язки, утворюються ланцюги з кокоподібних чи паличкоподібних форм.
Поділ клітин може відбуватись за трьома типами. Випереджаючий – такий тип, при якому утворюються багатоклітинні палички і коки. При синхронному реплікація нуклеоїду супроводжується поділом клітини, й утворюються одноклітинні організми. Третій тип – із випереджаючим поділом нуклеоїду, при якому утворюються багатонуклеоїдні форми бактерій.
Як правило, бактерії розмножуються простим поділом, що відбувається в різних площинах. Це спричиняє, наприклад, утворення різних морфологічних типів кокоподібних мікроорганізмів – диплококів, стафілококів, тетеракоків, сарцин. Актиноміцети можуть розмножуватись шляхом фрагментації ниткоподібних клітин, брунькуванням. Можливо утворення клітин, подібних до спор, конідій.
Облігатні внутрішньоклітинні паразити – хламідії – розмножуються, проходячи ряд стадій: елементарні тільця, ініціальні тільця, проміжні тільця. Саме останні є тим джерелом, з якого формується нове покоління елементарних тілець. Тривалість циклу складає 40-48 годин.
Мікоплазми також можуть утворювати особливі елементарні тіла, що здатні до розмноження фрагментацією або брунькуванням. Однак вони можуть розмножуватись і простим бінарним поділом.
Швидкість розмноження бактерій залежить від багатьох факторів: віку культури, складу живильного середовища, його рН, окисно-відновного потенціалу, температури, аерації тощо.
Бактерії розмножуються у геометричній прогресії. Якщо вважати, що за оптимальних умов бактерія подвоюється кожні 30 хвилин, то за годину їх буде 4, через дві години – 16, через 4 – 256, через 15 – мільйони. Через 35 год їх об’єм становитиме до
При внесенні у живильне середовище бактерії розмножуються за певними закономірностями. Вони ростуть і розмножуються, досягаючи певного максимуму до того часу, поки не будуть вичерпані запаси живильних речовин. Якщо не видаляти кінцеві продукти обміну і не додавати необхідні речовини, то можна одержати періодичну культуру (популяція в обмеженому просторі). Мікроорганізми в такій культурі ведуть себе як багатоклітинні системи з генетично обмеженим ростом.
Крива, яка описує залежність логарифму числа живих клітин від часу культивування, називається кривою росту.
Розрізняють чотири основні фази росту періодичної культури: початкову (або лаг-) фазу, експоненціальну (або логарифмічну) фазу, стаціонарну та фазу відмирання ((рис. 19).
Початкова або лаг-фаза охоплює проміжок між інокуляцією бактерій і досягненням найвищої швидкості їх поділу. В цей період відбувається адаптація бактерій до умов існування. В клітині у 8-12 разів зростає кількість РНК, збільшується концентрація ферментів. Тривалість фази 1-2 год.
Експоненціальна (логарифмічна) фаза характеризується постійною максимальною швидкістю поділу клітин і зростанням їх кількості у геометричній прогресії. Вона залежить від віку мікробів і складу середовища. Так, ентеробактерії діляться кожні 15-30 хв, стрептококи – 30 хв, а грунтові нітробактерії й збудники туберкульозу – 5-18 год. Час, протягом якого відбувається поділ мікроба, називається часом генерації. Тривалість фази – 5-8 год.
Стаціонарна фаза наступає тоді, коли число клітин перестає збільшуватись. Настає рівновага між кількістю живих мікробів і тих, що відмирають. Цьому сприяє висока щільність популяції, дефіцит живильних речовин у середовищі, низький парціальний тиск кисню, накопичення токсичних продуктів обміну. Однак кількість біомаси в цей період сягає найвищого рівня, тому концентрацію клітин позначають як максимальну (М-) концентрацію, а величину біомаси – терміном вихід або урожай. Ця ознака є специфічною й характерною для кожного виду бактерій. Триває фаза 6-7 год.
Фаза відмирання (до 10 год) супроводжується різким зменшенням числа живих клітин. Цьому сприяють значний дефіцит поживних речовин у середовищі, нагромадження кислот, автоліз під впливом власних ферментів.
Отже, у періодичній культурі умови культивування весь час змінюються: густина мікробів зростає, а запаси живильних речовин зменшуються. Однак у багатьох випадках необхідно підтримувати клітини у фазі експоненціальнго росту та М-концентрації, тому що саме в цей період вони найбільш фізіологічно і функціонально активні: синтезують багато білка, продукують велику кількість різноманітних ферментів, токсинів, антибіотиків, інших біологічно активних речовин. Це досягається постійним видаленням популяцій бактерій, що ростуть, оновленням живильного середовища, додатковою аерацією (для аеробних бактерій). Саме за такими принципами працюють хемостати і турбідостати – прилади, які дозволяють проводити безперервне культивування у промислових і лабораторних умовах.
Ріст мікробів на твердих живильних середовищах відбувається за аналогічними закономірностями, однак щільність клітин значно вища.
Матеріали підготовила доц. Романюк Л.Б.
