Лекція 1
Предмет і задачі мікробіології. Основні етапи розвитку мікробіології. Значення загальної та медичнох мікробіології в діяльності провізора. Систематика, номенклатура та класифікація мікроорганізмів. Морфологія і структура бактерій
Мікробіологія (від гр. mikroV – малий, bioV – життя і logos – вчення) – наука, яка вивчає найдрібніші, переважно одноклітинні, жива істоти, названі мікроорганізмами. Обєктами 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 обєкти, розмір яких не менше
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.
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.
.У зв’язку з великими запосами науки і практики пройшла диференціація мікробіолоії на окремі наукові дисципліни. В наші дні самостійного значення набула загальна мікробіологія, промислова, ветеринарна, санітарна, сільськогосподарська і медична. 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.
Найбільшого прогресу досягла сучасна імунологіяя. 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.
Розробка ефективних вакцин протти грипу, гепатитів і СНІДу – надзвичайно актуальна проблема для мікробіологічної науки.
Історичний нарис розвитку мікробіології
Розвиток мікробіології як науки тісно повязаний з мистецтвом шліфування скла і алмазів та виготовленням перших мікроскопів (З. Янсен, 1590; Г. Галілей, 1610; Р. Гук, 1665).Першим дивовижним мисливцем за мікробами, який заглянув у цей таємничий невидимий невидимий світ живих істот, був голландський торгівець полотном,сторж судової палати Антоній Левенгук (1632-1723).
Саме з цього часу і починається перший, иак званий морфологічний період в історії розвитку мікробіології.
У другій половині 19 століття мікробіологія міцно утверджується як самостійна наука. Для цього склалися всі необхідні умови. Були відкриті і описані перші збудники інфекційних хвороб, встановлені і вивчені збудники деяких технологічних процесів. І все ж, щоб заснувати нову науку, створити дійсно гармонійне вчення необхідно було всі ці розрізнені факти привести до єдиної стункої системи. Але така проблема під силу тільки геніям. Такий геній прийшов. Його подарувала людству Франція. Це був знаменитий французький вчений Луї Пастер (1822-1895).
ін почав глибоко вивчати фізіологію і біохомію мікроорганізмів, поклавши тим самим початок другому, фізіологічному періоду, в історії мікробіології.
Пастер першим запропонував вирощувати мікробів на штучних живильних середовищах. Він також встановив, що заразні хвороби викликають мікроорганізми і що кожне захворювання має свого специфічного збудника,. розробив принципи і методи ослаблення хвороботворних властивостей мікроорганізмів. При введені таких ослаблених культур в організм, вони не викликають захворювання, а тідьки легку реакцію в результаті якої виробляється імунітет. Використавши цей метод при курячій холері, сибірці і сказі, Пастер отримав неймовірно позитивні результати.
Саме завдяки його відкриттям виникло і успішно розвивається вчення про антисептику і асептику, без яких немислема сучасна хірургія.
.Дуже плідно для розвитку особливо медичної мікробіології була наукова діяльність знаменитого німецького ученого Роберта Коха (1843-1910). Сучасник Пастера і його послідовник Кох провів класичні дослідження з етіології сибірки, туберкульозу і холери, завдяки чому ввійшов в історію як один з основоположників сучасної мікробіології. У процесі вивчення етіології сибірки і ранових інфекцій та відтворення їх в експерименті на тваринах він остаточно сформулював знамениту тріаду Генле-Коха: 1) збудник виділяється при одній хворобі і не повинен зустрічатися ні у здорових, ні у хворих іншими хворобами; 2) мікроб повинен бути виділений у чистій культурі; 3) виділена чиста культура повинна викликати в експерименті таке ж захворювання. Постулати тріади в той час сприяли відкриттю і детальному вивченню багатьох збудників інфекційних хвороб. Р.Кох блискуче розробив методи вирощування і виділення чистих культур бактерій на щільних живильних середовищах ,що мало вирішальне значення для подальшого прогресу в лабораторній діагностиці інфекційних хвороб. Він ввів у мікробіологічну практику метод забарвлення бактерій аніліновими барвникамми, метод “висячої краплі” для вивчення рухливості мікробів, імерсійну систему, конденсорне Аббе. Світового значення набуло відкриття Кохом збудника туберкульозу (1882), за яке він отримав Нобелівську премію (1885. У 1883 р був надрукований ще один класичний твір Коха – про збудника холери. Цей видатний успіх випав на його долю під час спеціальних наукових експедицій для вивчення епідемій холери в Єгипті та Індії.
У фундаментальних наукових розробках вказаних проблем виключно велике значення мали дослідження нашого геніального співвідчизника Іллі Ілліча Мечникова (1845-1916).. У різні роки працював у Новоросійському та Петербургському університетах. З 1886 р очолював першу пастерівську станцію в Одесі, де разом з М.Ф.Гамалієм організував щеплення проти сказу, інших інфекційних хвороб, вивчав біологічні методи боротьби з шкідниками сільського господарства.В наступні роки І.І. Мечников опублікував свої класичні роботи “Порівняльна патологія запалення” і “Несприятливість до інфекційних хвороб”, в яких виклав дослідження про захисні властивості організму і фагоцитарну теорію імунітету. І.І.Мечников показав, що у вищих організмів функцію фагоцитозу виконують лейкоцити двох типів: макрофаги і мікрофаги. Вся подальша його діяльність була направлена на вдосконалення і захист фагоцитарної теорії імунітету, яку він гаряче відстоював на протязі 25 років у боротьбі з панівною в той час гуморальною теорією П.Ерліха. В кінці кінців сам Мечников висунув концепцію, згідно з якою гуморальна і фагоцитарна теорії не виключають, а, навпаки, доповнюють одна одну. Визнанням заслуг обох творців вчення про імунітет було присудження їм у 1908 р Нобелівської премії.
Мечников разом з Пастером заклали основи вчення про антагонізм бактерій, яке пізніше виросло у надзвичайно важливе для практичної медицини вчення про. Він запропонував три лікувальних препарати – простоквашу, йогурт і лактобацилін. Тепер такі бактерійні препарати називаються пробіотиками.
Класичні дослідження Мечникова визначили третій профілактичний період в історії розвитку мікробіології, який збагатив науку і практику багатьма біологічними препаратами для лікування і профілактики інфекційних хвороб. За образним виразом Ру “Мечников – це поет в мікробіології”.
Одним з відомих “мисливців за мікробами” в Європі, Росії та Україні був Д.С.Самойлович (1744-1805). Він першим висловив думку, що чуму викликає якись особливий живий агент. Видатний мікробіолог Г.Н.Габричевський (1860-1907) організував перший в Москві Бактеріологічний інститут вакцин і сироваток.
Важливе значення для розвитку мікробіології мала наукова діяльність Л.О.Тарасевича. У 1918 р заснував першу станцію з контролю бактерійних препаратів (нині НДІ стандартизіції і контролю медичних біологічних препаратів ім. Л.О. Тарасевича).
У 1888 р Є. Ру та А. Іерсен вперше встановли, що дифтерійна паличка виділяє токсин. через два роки Е.Беренг та С.Кітазато при введенні тваринам малих доз дифтерійного і правцевого токсинів отримали відповідні антитоксичні імунні сироватки. Е.Ру, А.Ю. Бардах і Г.Н. Габричевський виготовили протидифтерійну сироватку і успішно лікували нею хворих на дифтерію дітей. Ці дослідження обгрунтували проблеми виготовлення імунних лікувальних та профілактичних сироваток проти газової гангрени, правця, ботулізму а пізніше імуноглобулінів проти багатьох бактеріальних і вірусних інфекцій..
Кінець ХІХ століття ознаменувався відкриттям окремого царства вірусів. У 1892 р Д.Й. Івановський (1864-1920) відкрив першого представника цього царства – вірус мозаїчної хвороби тютюну, а ще через шість років Ф.Леффлер і П.Фрош виявили вірус ящуру.
З українських вірусологів важливе значення мають дослідження С.С. Дяченка, В.П. Широбокова, А.Ф. Фролова.
Блискучий шлях у науці в цей період залишив видатний мікробіолог, імунолог і вірусолог Л.О. Зільбер (1894-1966). Разом із співробітниками він відкрив вірус кліщового енцефаліту, вивчав природу та імунологію злоякісних пухлин, висунув віросогенетичну теорію ракової хвороби.
Цікаві і важливі для практичної медицини були дослідження відомого мікробіолога і імунолога П.Ф. Здродовського (1890-1976), автора робіт, ряду монографій, присвячених епідеміології і профілактиці рикетсіозів, малірії, дифтерії, бруцельозу.
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 імя стоїть поряд з імкнами пастера, Коха. Кона. Він відкрив сіркота залізобактерій, нітрифікуючі та азотфікуючі мікроби, зясував їх роль у кругообізі речовин в природі. 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 природнувогнищевість 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.
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 імя.
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 відїзду 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 віспяної вакцини
Г.М.Мінх ввійшов в історію знаменитим дослідом самозараження поворотним тифом. Він ввів собі кров хворого і тяжко захворів, дослідив власну кров і побачив у ній спірохет, що дало можливість відрізнити поворотний тиф від висипного.
О.О.Могутковський ввів собі кров хворих на висипний і поворотний тифи, сам захворів спочатку висипним, а потім поворотним тифом. Він доказав, що збудник висипного тифу знаходиться в крові хворих. Такі були героїчні досліди двох одеських лікарів.
Прогомбагатьох років років серед одеських мікробіологів важливе значення мали наукові праці В.П.Тульчинської в галузі морської мікробіології та С.М.Мінервіна з проблем анаеробної газової інфекції, правця, ботулізму, потенціювання бактерійних токсинів.
Славетною була і є київська школа мікробіологів. Засновником і першим завідувачем кафедри мікробіології Киівського інституту був М.П.Нещадименко, відомий своїми працями в галузі імунології та вивченні ролі стрептококів в патології людини. Главою київських мікробіологів того періоду був В.В.Подвисоцький.
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.
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
і монобацили (збудники правця, ботулізму);
б) диплобактерії (клебсієли пневмонії) і диплобацили;
в) стрептобактерії (збудники м’якого шанкру) і стрептобацили (збудники сибірки).
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.
Ультраструктура бактеріальної клітини. Бактеріальні клітини є прокаріотичними живими системами.
Між ними та еукаріотами (eu – справжній, karyon – ядро) існують суттєві відмінності,.
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.
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.
У процесі життєдіяльності мікрооганізмів у цитоплазмі з’являються морфологічно диференційовані частки, які називають включеннями. Вони бувають різними за своєю природою і виконують різноманітні функції.
Деколи у бактерій з’являються особливі утворення, які називають вакуолями. Оболонка бактерій складається з цитоплазматичної мембрани, клітинної стінки і капсули.
Вміст клітини відмежовується від навколишнього середовища за допомогою цитоплазматичної мембрани (ЦПМ). 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.
Вона складається з подвійного шару фосфоліпідних молекул. 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.
Вони відіграють велику роль у життєдіяльності клітини, постачаючи її енергією та беручи активну участь у процесах реплікації нуклеоїда.
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 β-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.
Клітинна стінка крім виконує опорну та захисну функції.
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.
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.
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, яка оточена світлим ободком – капсулою.
Джгутики. Поверхня тіла мікроорганізмів може бути вкрита особливими виростами, що називаються джгутиками, які забезпечують локомоторну функцію. 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).
За способом розташування джгутиків мікроорганізми поділяються на ряд груп.
Монотрихи – бактерії, що містять джгутик на одному з полюсів клітини (холерний вібріон). Такі мікроорганізми найрухоміші серед інших: за 1 с вони здатні переміщуватись на віддаль, яка у 20 разів перевищує довжину їх тіла. Лофотрихи мають пучок джгутиків на одному з полюсів (псевдомонади, Bacillus megaterium). У амфітрихів джгутики або їх пучки розташовані на обох полюсах (спірили). Перитрихи мають джгутики, розміщені по всій поверхні тіла мікроба (протей, ешерихії, сальмонели), число їх може досягати 1000.
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.
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. 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.
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.
Спори тривалий час зберігаються в стані анабіозу. У грунті вони можуть перебувати понад 200 років. Знайдено спорові мікроорганізми у льодовиках Антарктиди, вік яких оцінюється в 12 тис років.
Ендоспори бактерій характеризуються високою термостійкістю. При автоклавуванні під тиском 1,5-2 атмосфери і температурі 127-132 °С спори гинуть.
