Історія розвитку мікробіології. Морфологія та фізіологія мікроорганізмів. Кафедра медичної біології, мікробіології, вірусології та імунології Лектор ст. - презентация

1 Історія розвитку мікробіології. Морфологія та фізіологія мікроорганізмів. Кафедра медичної біології, мікробіології, вірусології та імунології Лектор ст. викл. А.Р.Малярчук

2 План лекції 1. Історія мікробіології. 2. Вклад українських учених в розвиток мікробіології 3. Класифікація мікроорганізмів. 4. Будова бактеріальної клітини

3 Мікробіологія (від гр. - малий, - життя і logos - вчення) - наука, яка вивчає найдрібніші, переважно одноклітинні, живі істоти, названі мікроорганізмами. Обктами 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).

4 Періоди розвитку мікробіології: - морфологічний - фізіологічний - профілактичний

5 . Першим дивовижним мисливцем за мікробами, який заглянув у цей таємничий невидимий невидимий світ живих істот, був голландський торгівець полотном,сторож судової палати Антоній Левенгук ( ).

6 Едуард Дженнер Однак, мікробіологія як самостійна наука розвивалася ще досить повільно. Навіть велике відкрття англійського сільського лікаря Едуарда Дженнера ( ) не дало помітного впливу на розвиток мікробіології. Він підсумував 25- річний досвід своїх спостережень над тим, що люди, які перехворіли коровячою віспою, ніколи потім не хворіють натуральною людською віспою. У 1796 році Дженнер прищепив коровячу віспу восьмирічному хлопчикові Джеймсу Фіпсу, взявши для цього вміст пухирців з руки доярки, хворої на коровячу віспу. Через 6 тижнів Дженнер прищепив Фіпсу натуральну людську віспу, але він не захворів. Через 4 місяці Дженнер повторно заразив його людською віспою і знову безрезультатно.

7 Едвард Дженнер

8 Louis Pasteur ( )

9 Луї Пастер ( ) Луї Пастер створив медичну мікробіологію не будучи лікарем. Він 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, 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.

10 Вакцинація проти сказу

11 Світового значення набуло відкриття Кохом збудника туберкульозу (1882), за яке він отримав Нобелівську премію (1885). Він же запропонував препарат для лікування цього захворювання - туберкулін. На жаль він виявився не ефективним. В наш час туберкулін вживають для постановки алергічної проби Манту при діагностиці туберкульозу. 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.

12 Одна з величезних заслуг Коха полягає у тому, що він створив світову школу бактеріологів, які відкрили багатьох збудників інфекційних хвороб. К.Еберт і Г.Гаффкі виділили збудника черевного тифу ( ), Е.Клебс і Ф.Леффлер - паличку дифтерії ( ), А.Ніколаєр - бацилу правця (1884), Т.Ешеріх - кишкову паличку, А.Вексельбаум - збудника менінгіту (1887). Серед учнів Р.Коха були такі славетні учені як Е.Берінг, Р.Пфейффер, С.Кітазато, А.Васерман та ін.

13 Роберт Кох

14 У фундаментальних наукових розробках вказаних проблем виключно велике значення мали дослідження нашого геніального співвідчизника Іллі Ілліча Мечникова ( ). Він народився в с.Іванівка Купянського повіту Харківської губернії. 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.

15 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. 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. З усіх мікробів- антагоністів Мечников віддав перевагу молочнокислим бактеріям. На їх основі він запропонував три лікувальних препарати - простоквашу, йогурт і лактобацилін. Тепер такі бактерійні препарати називаються пробіотиками.

16 І.І. Мечников

17 Д.Й. Івановський ( ) У 1892 р відкрив першого представника царства вірусів- вірус мозаїчної хвороби тютюну, а ще через шість років Ф.Леффлер і П.Фрош виявили вірус ящуру.

18 С.М. Виноградський. Він відкрив сірко- та залізобактерій, нітрифікуючі та азотфікуючі мікроби, зясував 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

19 Д.К. Заболотний. 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. 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.

20 Найбільше визнання серед мікробіологів отримала класифікація мікроорганізмів, яка подана у Визначнику бактерій Д. Бергі (Bergeys Manual Systematic Bacteriology

21 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.

22 Відповідно до Міжнародного кодексу номенклатури бактерій мікробіологи використовують такі таксономічні критерії систематики: вид - рід - родина - порядок - клас - відділ - царство

23 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 - мякий, ніжний) - мікроби, які не мають клітинної стінки, Mendosicutes (mendosus - помилковий) - представники мікробного світу, що мають нетиповий пептидоглікан.

24 Морфологічна класифікація бактерій Бактерії (Gk. bakterion) одноклітинні мікроорганізми, які не мають хлорофілу. Сферичні (коки) Паличковидні (бактерії або бацили, клостридії) Спиралеподібні (вібріони, спірили, спірохети)) Ниткоподібні (непатогенні)

25 Мікрококи (Micrococcus). ( M. roseus, M. luteus, etc.).

26 Диплококи Neisseria meningitidis Neisseria gonorrhoeae Pneumococcus

27 Стрептококи

28 Тетракоки

29 Стафілококи

30 Сарцини

31 monohacteriamonobacilli E. coliY. pestis C. tetani C. botulinum

32 diplohacteriadiplobacilli K. pneumoniae

33 streptobacteriastreptobacilli Haemophilus ducreyi (chancroid) Bacillus anthracis (anthrax)

34 Спіралеподібні бактерії. Vibrio cholerae

35 Спірили. Spirillum minus

36 Спірохети Borrelia. Borrelia hispanica, Borrelia persica

37 Лептоспіри. Leptospira interrogans

38 Трепонеми Treponema pallidum

39 Нуклеоїд 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.

40 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. Метод ЛеффлераМетод Нейсера

41 Структура пептидоглікану 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 звязками. Залишки мурамової кислоти зєднуються пептидними звязками із тетрапептидами амінокислот: L- і D-аланіну, D-глутамінової та мезодіамінопімелінової кислот, L-лізину.

42 Клітинна стінка. У грампозитивних бактерій муреїновий шар складає % 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. Грамнегативні бактеріальні клітини мають значно складнішу будову стінки. 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.

43 Капсули Klebsiella pneumonie Bacillus anthracis Streptococcus pneumoniae

44 філамент гак L-кільце P-кільце S-кільце M-кільце ЦПМ Периплазматичн ий простір Пептидоглікан Зовнішня мембрана Джгутики грамнегативних клітин Стрижень

45 1)монотрихи (V. cholerae 2)амфітрихи (Spirillum volutans) 3)лофотрихи (бактрії синьо-зеленого молока,, Alcaligenes faecalis) 4)перитрихи (E. coli, Salmonella)

46 Ворсинки

47 Ендоспори

48 Спора

49 Утворення вегетативної клітини : 1.Активація.. 2.Ініціація 3.Проростання

50 Спори розташовуються: 1) центрально (B. anthracis); 2) термінально (С. tetani); 3) cубтермінально (C. botulinum, C. perfringens)

51 Спори витримують автоклавування при температурі C, а такаж сухий жар температури C.

52 Кафедра медичної біології, мікробіології, вірусології та імунології ФІЗІОЛОГІЯ МІКРООРГАНІЗМІВ. РІСТ І РОЗМНОЖЕННЯ БАКТЕРІЙ Лектор ст.викл.А.Р.Малярчук

53 Фізіологія мікроорганізмів вивчає біохімічні й енергетичні процеси, що відбуваються в бактеріальній клітині й забезпечують відтворення її структурного матеріалу та енергетичні потреби.

54 Хімічний склад бактерій. Як і всі живі істоти, бактерійна клітина складається з чотирьох основних елементів - азоту, вуглецю, водню, кисню. Вуглець складає % сухого залишку клітини, кисень %, азот % і водень %. Ці органогени служать матеріалом, з якого побудовано всі складові компоненти клітини: нуклеїнові кислоти, білки, ліпіди, вуглеводи, численні ферментні системи тощо.

55 Тонкі фізико-хімічні дослідження дозволили встановити, що в клітині нараховується понад 2,4 млн різноманітних білкових молекул 1850 видів Білок55 %2,4 млн. мол РНК20,5%250 тис. мол. ДНК3,1 %2 молекули Ліпіди9,1 %22 млн. молекул Ліпополісахари ди 3,4 %1,5 млн. молекул Пептидоглікан2,5 %1 молекула

56 Конструктивний та енергетичний метаболізм - тісно повязаний 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.

57 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.

58 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.

59 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.

60 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.

61 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.

62 Джерела енергії та донори електронів. Залежно від джерела енергії, що засвоюють мікробні клітини, їх поділяють на фототрофи і хемотрофи.

63 Фототрофні бактерії здатні використовувати енергію сонячного світла. Їх інакше називають фотосинтезуючими бактеріями. Патогенних для людини серед них немає. Інші прокаріоти, які одержують енергію за рахунок окисно-відновних реакцій в субстратах, називаються хемотрофами.

64 Для здійснення різноманітних реакцій клітині необхідні електрони. Речовини, які в процесах біохімічних перетворень віддають електрони, називаються донорами. Молекули, які одержують електрони, називаються акцепторами. Мікроорганізми, для яких джерелом електронів є неорганічні сполуки типу Н 2, Н 2 S, NH 3+, Fe +2 та інші, називаються літотрофами (litos - камінь). Інші бактерії, для яких донором електронів виступають органічні речовини, називаються органотрофами.

65 Тип живлення Джерела енергії, H/e-, вуглецю Приклади мікроорганізмів Фотоліто- трофи автотрофи Енергія світла Неорганічні донори H/e- CO 2 джерело вуглецю Водорослі сульфобактерії ціанобактерії Фотооргано - трофи гетеротроф и Енергія світла, Органічні донори H/e- Органічні джерела вуглецю Пурпурні і зелені бактерії Хемоліто- трофи автотрофи Хімічні джерела енергії (неорганічні) Неорганічні донори H/e- CO 2 джерело вуглецю Нітрифікуючі бактерії, залізобактерії Хемооргано - трофи гетеротроф и Хімічні джерела енергії (органічні) Органічні донори H/e- Органічні джерела вуглецю Найпростіші Гриби Більшість бактерій Основні типи живлення мікроорганізмів

66 Полегшена дифузія

67 ГІДРОЛАЗИ ОКСИДОРЕДУКТАЗИ ІЗОМЕРАЗИ ТРАНСФЕРАЗИ ЛІАЗИ ЛІГАЗИ КОНСТИТУТИВНІ АДАПТИВНІ ЕНДОФЕРМЕНТИ ЕКЗОФЕРМЕНТИ ФЕРМЕНТИ МІКРООРГАНІЗМІВ

68 Значення ферментів - Загальнобіологічне значення. - 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. - Їх широко використовують у різних галузях хімічної, харчової, фармацевтичної, парфумерної промисловостей, сільському господарстві, медицині.

69 -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.

70 -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.

71 - 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.

72 Енергетичний метаболізм прокаріотів. За своїм обємом реакції, що забезпечують клітину внутрішньою енергією, значно перевищують біосинтетичні процеси. Мікроорганізми можуть використовувати не всі форми енергії, що існують у природі. Вони здатні користуватись тільки енергією сонячного світла (фотосинтезуючі бактерії) та хімічною (хемотрофні мікроби). Недоступні для них ядерна, механічна та теплова енергії.

73 Енергія, яку генерує клітина, запасається у формі електрохімічного трансмембранного градієнта іонів водню - н+ або в молекулах АТФ.

74 Л. Пастером було вперше помічено, що деякі мікроби одержують енергію без участі кисню. У 1863 р. він запропонував терміни «аероб» та «анаероб».

75 Облігатні аероби (збудники туберкульозу, чуми, холери) Облігатні анаероби (збудники правця, ботулізму, газової анаеробної інфекції, бактероїди, фузобактерії) Факультативні анаероби (стафілококи, ешеріхії, сальмонели, шигели та інші) Мікроаерофіли (молочнокислі, азотфіксуючі бактерії) Капнеїчні (збудник бруцельозу бичачого типу) Поділ бактерій за типами дихання

76 Мікроорга- нізми Т е м п е р а т у р н и й оптимуммаксимуммінімум Термофіли С75 С45 С Мезофіли С43-45 С15-20 С Психрофіли С25-30 С0-5 С Поділ мікроорганізмів за температурним оптимумом

77 Вимоги до живильних середовищ 1. Забезпечення потреб в азоті, вуглеці та водні для побудови власних білків. Водень і кисень для клітин постачає вода. Джерелом азоту виступають численні речовини, в основному, тваринного походження (мясо яловиче, риба, мясо- кісткова мука, казеїн), а також білкові гідролізати, пептиди, пептони. 2. Ростові фактори (вітаміни, ферменти). Універсальним джерелом їх служать екстракти з білків тваринного й рослинного походження, білкові гідролізати. Для мікробів з більш складними харчовими потребами до складу середовищ включають нативні субстрати - кров, сироватку, асцитичну рідину, яєчний жовток, кусочки печінки, нирок, мозкової тканини та ін.

78 3. Середовища повинні бути збалансованими за мікроелементним складом і містити іони заліза, міді, марганцю, цинку, кальцію, натрію, калію, мати у своєму складі неорганічні фосфати. 4. Допустимим є вживання речовин, які усувають дію інгібіторів росту і токсиноутворення мікробів (окремі амінокислоти, твіни, активоване вугілля тощо). 5. Стабілізація оптимуму рН середовища, його високої буферності. 6. Середовища повинні мати певну вязкість, густину 7. Ізотонічність, прозорість, обовязково стерильність

79 П р о с т іС к л а д н і Рідкі: ПВ, МПБ Щільні: МПЖ, МПА Спеціальні: цукров. МПА, МПБ, сиров. МПА, кров. МПА, асцит. МПА Збагачення, накопичення: селенітовий МПБ, с-ща Мюллера, Кауффмана, Кітт-Тароцці Елективні: Ру, 1% лужна ПВ Диференціально-діагностичні: 1.для визначення цукролітичних властивостей (с-ща Гіса, Ендо, Левіна, Плоскірева) 2. для визначення протеолітичних властивостей (згорнута сироватка, МПЖ, кусочки мязів) 3. для визначення пептолітичних властивостей (МПБ, ПВ) 4. для визначення гемолітичних властивостей (кров. МПА) 5. для визначення редукуючих властивостей (середовища з різними барвниками) Класифікація поживних середовищ

80 Різноманіття форм і поверхні колоній

81 Різні види поверхні бактеріальних колоній

82 1 - макро- i мiкроскопiчне вивчення дослiджуваного матерiалу i посiв на щiльнi поживнi середовища для одержання окремих колонiй; 2 - макро- i мiкроскопiчне вивчення колонiй i пересiв на скошений агар; 3 - перевiрка чистоти виділеної культури та її iдентифiкацiя; 4 - висновок про видiлену культуру. Етапи видiлення чистих культур аеробних мiкроорганiзмiв :

83 Етапи виділення чистої культури бактерій

84 Методи одержання ізольованих колоній

85 Біохімічні властивості бактерій