Г)Рост и размножение бактерий
Специальность 31.02.01 Лечебное дело
26.10.20
Тема лекции: Морфология и физиология микроорганизмов
План
Морфология.
Физиология микроорганизмов
А) Метаболизм
Б) Питание
В) Дыхание микроорганизмов
Г) Рост и размножение бактерий
АКТУАЛЬНОСТЬ
Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Биологические методы используются в борьбе с загрязнением окружающей среды и вредителями растительных и животных организмов. К достижениям биотехнологии можно также отнести применение иммобилизованных ферментов, получение синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном деле.
Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах.
Микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья.
Студент должен знать:
|
|
|
- Морфологию микроорганизмов;
- Физиологию микроорганизмов;
- Типы питания, дыхания микроорганизмов;
- Размножение микроорганизмов.
Морфология.
Классификация микроорганизмов
Бактерии
Бактерии - это одноклеточные прокариотные микроорганизмы. Величина их измеряется в микрометрах (мкм). Различают три основные формы: шаровидные бактерии - кокки, палочковидные и извитые.
Кокки(греч. kokkos - зерно) имеют шаровидную или слегка вытянутую форму. Различаются между собой в зависимости от того, как они располагаются после деления. Одиночно расположенные кокки - микрококки, расположенные попарно - диплококки. Стрептококки делятся в одной плоскости и после деления не расходятся, образуя цепочки (греч. streptos - цепочка). Тетракокки образуют сочетания из четырех кокков в результате деления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, сарцины (лат. sarcio - связывать) образуются при делении в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и имеют вид скоплений по 8-16 кокков. Стафилококки в результате беспорядочного деления образуют скопления, напоминающие гроздь винограда (греч. staphyle - виноградная гроздь).
Палочковидныебактерии (греч. bacteria - палочка), способные образовывать споры, называют бациллами в том случае, если спора не шире самой палочки, и клостридиями, если диаметр споры превышает диаметр палочки. Палочковидные бактерии, в отличие от кокков, разнообразны по величине, форме и расположению клеток: короткие (1 -5 мкм) толстые, с закругленными концами бактерии кишечной группы; тонкие, слегка изогнутые палочки туберкулеза; располагающиеся под углом тонкие палочки дифтерии; крупные (3-8 мкм) палочки сибирской язвы с "обрубленными" концами, образующие длинные цепочки - стрептобациллы.
|
|
|
К извитым формам бактерий относятся вибрионы, имеющие слегка изогнутую форму в виде запятой (холерный вибрион) и спириллы, состоящие из нескольких завитков. К извитым формам также относятся кампилобактеры, похожие под микроскопом на крылья летящей чайки.
Структура бактериальной клетки.
Структурные элементы бактериальной клетки можно условно разделить на:
а) постоянные структурные элементы - имеются у каждого вида бактерий, в течение всей жизни бактерии; это клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, нуклеоид;
б) непостоянные структурные элементы, которые способны образовывать не все виды бактерий, а те бактерии, которые образуют их, могут терять их и вновь приобретать в зависимости от условий существования. Это капсула, включения, пили, споры, жгутики.
|
|
|
Клеточная стенка покрывает всю поверхность клетки. У грамположительных бактерий клеточная стенка более толстая: до 90% - это полимерное соединение пептидогликан, связанный с тейхоевыми кислотами, и слой белка. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше, но сложнее по составу: состоит из тонкого слоя пептидогликана, липополисахаридов, белков; она покрыта наружной мембраной.
Функции клеточной стенки состоят в том, что она:
• является осмотическим барьером,
• определяет форму бактериальной клетки,
• защищает клетку от воздействий окружающей среды,
• несет разнообразные рецепторы, способствующие прикреплению фагов, колицинов, а также различных химических соединений,
• через клеточную стенку в клетку поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена,
• в клеточной стенке локализован О-антиген и с ней связан эндотоксин (липид А) бактерий.
Цитоплазматическая мембрана
К клеточной стенке бактерий примыкает цитоплазматическая мембрана, строение которой аналогично мембранам эукариотов (состоит из двойного слоя липидов, главным образом фосфолипидов со встроенными поверхностными и интегральными белками). Она обеспечивает:
|
|
|
• селективную проницаемость и транспорт растворимых веществ в клетку,
• транспорт электронов и окислительное фосфорилирование,
• выделение гидролитических экзоферментов, биосинтез различных полимеров.
Цитоплазматическая мембрана ограничивает цитоплазму бактерий, которая представляет собой гранулярную структуру. В цитоплазме локализованы рибосомыи бактериальный нуклеоид, в ней также могут находиться включения и плазмиды (внехромосомная ДНК). Кроме обязательных структур бактериальные клетки могут иметь споры.
Цитоплазма - внутреннее гелеобразное содержимое бактериальной клетки, пронизано мембранными структурами, создающими жесткую систему. В цитоплазме содержатся рибосомы (в которых осуществляется биосинтез белков), ферменты, аминокислоты, белки, рибонуклеиновые кислоты.
Нуклеоид - это хромосома бактерий, двойная нить ДНК, кольцевидно замкнутая, связанная с мезосомой. В отличие от ядра эукариотов, нить ДНК свободно располагается в цитоплазме, не имеет ядерной оболочки, ядрышка, белков-гистонов. Нить ДНК во много раз длиннее самой бактерии (например, у кишечной палочки длина хромосомы более 1 мм).
Помимо нуклеоида, в цитоплазме могут находиться внехромосомные факторы наследственности, называемые плазмидами. Это короткие кольцевидные нити ДНК, прикрепленные к мезосомам.
Включения содержатся в цитоплазме некоторых бактерий в виде зерен, которые можно обнаружить при микроскопии. Большей частью это запас питательных веществ.
Пили (лат. pili - волоски) иначе реснички, фимбрии, бахромки, ворсинки - короткие нитевидные отростки на поверхности бактерий.
Жгутики. Многие виды бактерий способны передвигаться благодаря наличию жгутиков. Из патогенных бактерий только среди палочек и извитых форм имеются подвижные виды. Жгутики представляют собой тонкие эластичные нити, длина которых у некоторых видов в несколько раз больше длины тела самой бактерии.
Число и расположение жгутиков является характерным видовым признаком бактерий. Различают бактерии: монотрихи - с одним жгутиком на конце тела, лофотрихи - с пучком жгутиков на конце, амфитрихи, имеющие жгутики на обоих концах, и перитрихи, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела. К монотрихам относится холерный вибрион, к перитрихам - сальмонеллы брюшного тифа.
Капсула - наружный слизистый слой, который имеется у многих бактерий. У одних видов он настолько тонок, что обнаруживается только в электронном микроскопе - это микрокапсула. У других видов бактерий капсула хорошо выражена и видна в обычном оптическом микроскопе - это макрокапсула.
Микоплазмы
Микоплазмы относятся к прокариотам, размеры их 125-200 нм. Это наиболее мелкие из клеточных микробов, величина их близка к пределу разрешающей способности оптического микроскопа. У них отсутствует клеточная стенка. С отсутствием клеточной стенки связаны характерные особенности микоплазм. Они не имеют постоянной формы, поэтому встречаются сферические, овальные, нитевидные формы.
Риккетсии
Риккетсии - прокариотные микробы. Риккетсии сходны с бактериями по клеточному строению и структуре, а с вирусами их сближает строгий внутриклеточный паразитизм. Они не могут размножаться вне живых клеток хозяина, так как не синтезируют дыхательные ферменты и поэтому неспособны к самостоятельному биологическому окислению. В отличие от вирусов, они содержат оба вида нуклеиновых кислот - ДНК и РНК - и осуществляют процесс биосинтеза белков.
Хламидии
Хламидии - мелкие прокариотные микробы, сходные по химическому составу с грамотрицательными бактериями. Это строгие внутриклеточные паразиты, так как не образуют АТФ и потому не способны к самостоятельному процессу биологического окисления, т.е. это "энергетические паразиты".
Актиномицеты
Актиномицеты - одноклеточные микроорганизмы, относятся к прокариотам. Их клетки имеют такую же структуру, как бактерии: клеточную стенку, содержащую пептидогликан, цитоплазматическую мембрану; в цитоплазме расположены нуклеоид, рибосомы, мезосомы, внутриклеточные включения. Поэтому патогенные актиномицеты чувствительны к антибактериальным препаратам. В то же время они имеют сходную с грибами форму ветвящихся переплетающихся нитей, а некоторые актиномицеты, относящиеся к семейству стрентомицет, размножаются спорами. Другие семейства актиномицет размножаются путем фрагментации, то есть распада нитей на отдельные фрагменты.
Актиномицеты широко распространены в окружающей среде, особенно в почве, участвуют в круговороте веществ в природе. Среди актиномицетов есть продуценты антибиотиков, витаминов, гормонов. Большинство антибиотиков, применяемых в настоящее время, продуцируется актиномицетами. Это стрептомицин, тетрациклин и другие.
Спирохеты.
Спирохеты относятся к прокариотам. Имеют признаки, общие как с бактериями, так и с простейшими микроорганизмами. Это одноклеточные микробы, имеющие форму длинных тонких спирально изогнутых клеток, способны к активному движению. В неблагоприятных условиях некоторые из них могут переходить в форму цисты.
Исследования в электронном микроскопе позволили установить структуру клеток спирохет. Это цитоплазматические цилиндры, окруженные цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой, содержащей пептидогликан. В цитоплазме находятся нуклеоид, рибосомы, мезосомы, включения.
Под цитоплазматической мембраной расположены фибриллы, обеспечивающие разнообразное движение спирохет - поступательное, вращательное, сгибательное.
Патогенные представители спирохет: Treponema pallidum - вызывает сифилис, Borrelia recurrentis - возвратный тиф, Borrelia burgdorferi - болезнь Лайма, Leptospira interrogans - лептоспироз.
Грибы
Грибы (Fungi, Mycetes) - эукариоты, низшие растения, лишенные хлорофилла, в связи с чем они не синтезируют органические соединения углерода, то есть это гетеротрофы, имеют дифференцированное ядро, покрыты оболочкой, содержащей хитин. В отличие от бактерий, грибы не имеют в составе оболочки пептидогликана, поэтому нечувствительны к пенициллинам. Для цитоплазмы грибов характерно присутствие большого количества разнообразных включений и вакуолей.
Среди микроскопических грибов (микромицетов) имеются одноклеточные и многоклеточные микроорганизмы, различающиеся между собой по морфологии и способам размножения. Для грибов характерно разнообразие способов размножения: деление, фрагментация, почкование, образование спор - бесполых и половых.
При микробиологических исследованиях наиболее часто приходиться сталкиваться с плесенями, дрожжами и представителями сборной группы так называемых несовершенных грибов.
Плесени образуют типичный мицелий, стелющийся по питательному субстрату. От мицелия вверх подымаются воздушные ветви, которые оканчиваются плодоносящими телами различной формы, несущими споры.
Мукоровые или головчатые плесени (Mucor) - одноклеточные грибы с шаровидным плодоносящим телом, наполненным эндоспорами.
Плесени рода Aspergillus - многоклеточные грибы с плодоносящим телом, при микроскопии напоминающим наконечник лейки, разбрызгивающей струйки воды; отсюда название "леечная плесень". Некоторые виды аспергилл используются в промышленности для производства лимонной кислоты и других веществ. Есть виды, вызывающие заболевания кожи и легких у человека - аспергиллезы.
Плесени рода Penicillum, или кистевики - многоклеточные грибы с плодоносящим телом в виде кисточки. Из некоторых видов зеленой плесени был получен первый антибиотик - пенициллин. Среди пенициллов есть патогенные для человека виды, вызывающие пенициллиоз.
Различные виды плесеней могут быть причиной порчи пищевых продуктов, медикаментов, биологических препаратов.
Дрожжи - дрожжевые грибы (Saccharomycetes, Blastomycetes) имеют форму круглых или овальных клеток, во много раз крупнее бактерий. Средний размер дрожжевых клеток приблизительно равен поперечнику эритроцита (7-10 мкм).
Вирусы - (лат. virus яд) — мельчайшие микроорганизмы, не имеющие клеточного строения, белоксинтезирующей системы и способные к воспроизведению лишь в клетках высокоорганизованных форм жизни. Они широко распространены в природе, поражают животных, растения и другие микроорганизмы.
Зрелая вирусная частица, известная как вирион, состоит из нуклеиновой кислоты - генетический материал (ДНК либо РНК), который несет информацию о нескольких типах белков, необходимых для образования нового вируса - покрытой защитной белковой оболочкой — капсидом.
Капсид складывается из одинаковых белковых субъединиц, называемыхкапсомерами. Вирусы могут также иметь липидную оболочку поверх капсида (суперкапсид), образованную из мембраны клетки-хозяина. Капсид состоит из белков, кодируемых вирусным геномом, а его форма лежит в основе классификации вирусов по морфологическому признаку.
Сложноорганизованные вирусы, кроме того, кодируют специальные белки, помогающие в сборке капсида. Комплексы белков и нуклеиновых кислот известны как нуклеопротеины, а комплекс белков вирусного капсида с вирусной нуклеиновой кислотой называется нуклеокапсидом.
Физиология микроорганизмов
Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микробных клеток, процессы их питания, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой.
А)Метаболизм – совокупность биохимических процессов, направленных на получение энергии и воспроизведение клеточного материала.
Особенности метаболизма у бактерий:
1) многообразие используемых субстратов;
2) интенсивность процессов метаболизма;
3) направленность всех процессов метаболизма на обеспечение процессов размножения;
4) преобладание процессов распада над процессами синтеза;
5) наличие экзо– и эндоферментов метаболизма.
Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных процессов: катаболизма и анаболизма.
Катаболизм (энергетический метаболизм) – это процесс расщепления крупных молекул до более простых, в результате которого выделяется энергия, накапливающаяся в форме АТФ:
а) дыхание;
б) брожение.
Анаболизм (конструктивный метаболизм) – обеспечивает синтез макромолекул, из которых строится клетка:
а) анаболизм (с затратами энергии);
б) катаболизм (с выделением энергии);
При этом используется энергия, полученная в процессе катаболизма. Для метаболизма бактерий характерны высокая скорость процесса и быстрая адаптация к меняющимся условиям окружающей среды.
В микробной клетке ферменты являются биологическими катализаторами. По строению выделяют:
1) простые ферменты (белки);
2) сложные; состоят из белковой (активного центра) и небелковой частей; необходимы для активизации ферментов.
По месту действия выделяют:
1) экзоферменты (действуют вне клетки; принимают участие в процессе распада крупных молекул, которые не могут проникнуть внутрь бактериальной клетки; характерны для грамположительных бактерий);
2) эндоферменты (действуют в самой клетке, обеспечивают синтез и распад различных веществ).
В зависимости от катализируемых химических реакций все ферменты делят на шесть классов:
1) оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции между двумя субстратами);
2) трансферазы (осуществляют межмолекулярный перенос химических групп);
3) гидролазы (осуществляют гидролитическое расщепление внутримолекулярных связей);
4) лиазы (присоединяют химические группы по двум связям, а также осуществляют обратные реакции);
5) изомеразы (осуществляют процессы изомеризации, обеспечивают внутреннюю конверсию с образованием различных изомеров);
6) лигазы, или синтетазы (соединяют две молекулы, вследствие чего происходит расщепление пирофосфатных связей в молекуле АТФ).
Б)Питание
Под питанием понимают процессы поступления и выведения питательных веществ в клетку и из клетки. Питание в первую очередь обеспечивает размножение и метаболизм клетки.
Различные органические и неорганические вещества поступают в бактериальную клетку в процессе питания. Специальных органов питания у бактерий нет. Вещества проникают через всю поверхность клетки, в виде мелких молекул. Такой способ питания называется голофитным. Необходимым условием для прохождения питательных веществ в клетку является их растворимость в воде и малая величина (т.е. белки должны быть гидролизованы до аминокислот, углеводы – до ди- или моносахаридов и т. д.).
Основным регулятором поступления веществ в бактериальную клетку является цитоплазматическая мембрана. Существует четыре основных механизма поступления веществ:
-пассивная диффузия— по градиенту концентрации, энергонезатратная, не имеющая субстратной специфичности;
— облегченная диффузия— по градиенту концентрации, субстратспецифичная, энергонезатратная, осуществляется при участии специализированных белков пермеаз;
— активный транспорт- против градиента концентрации, субстратспецифичен (специальные связывающие белки в комплексе с пермеазами), энергозатратный (за счет АТФ), вещества поступают в клетку в химически неизмененном виде;
— транслокация (перенос групп) — против градиента концентрации, с помощью фосфотрансферазной системы, энергозатратна, вещества (преимущественно сахара) поступают в клетку в форфорилированном виде.
Основные химические элементы- органогены, необходимые для синтеза органичеких соединений- углерод, азот, водород, кислород.
Типы питания. Широкому распространению бактерий способствует разнообразные типы питания. Микробы нуждаются в углероде, кислороде, азоте, водороде, сере, фосфоре и других элементах (органогенах).
В зависимости от источника получения углерода бактерии делят на:
1) аутотрофы (используют неорганические вещества – СО2);
2) гетеротрофы;
3) метатрофы (используют органические вещества неживой природы);
4) паратрофы (используют органические вещества живой природы).
Процессы питания должны обеспечивать энергетические потребности бактериальной клетки.
По источникам энергии микроорганизмы делят на:
1) фототрофы (способны использовать солнечную энергию);
2) хемотрофы (получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций);
3) хемолитотрофы (используют неорганические соединения);
4) хемоорганотрофы (используют органические вещества).
Среди бактерий выделяют:
1) прототрофы (способны сами синтезировать необходимые вещества из низкоорганизованных);
2) ауксотрофы (являются мутантами прототрофов, потерявшими гены; ответственны за синтез некоторых веществ – витаминов, аминокислот, поэтому нуждаются в этих веществах в готовом виде).
Микроорганизмы ассимилируют питательные вещества в виде небольших молекул, поэтому белки, полисахариды и другие биополимеры могут служить источниками питания только после расщепления их экзоферментами до более простых соединений.
В)Дыхание микроорганизмов.
Путем дыхания микроорганизмы добывают энергию. Дыхание- биологический процесс переноса электронов через дыхательную цепь от доноров к акцепторам с образованием АТФ. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О2), при анаэробном- связанный кислород ( -NO3 , =SO4, =SO3).
По типу дыхания выделяют четыре группы микроорганизмов.
1.Облигатные (строгие) аэробы. Им необходим молекулярный (атмосферный) кислород для дыхания.
2.Микроаэрофилы нуждаются в уменьшенной концентрации (низком парциальном давлении) свободного кислорода. Для создания этих условий в газовую смесь для культивирования обычно добавляют CO2, например до 10- процентной концентрации.
3.Факультативные анаэробы могут потреблять глюкозу и размножаться в аэробных и анаэробных условиях. Среди них имеются микроорганизмы, толерантные к относительно высоким (близких к атмосферным) концентрациям молекулярного кислорода — т.е. аэротолерантные,
а также микроорганизмы которые способны в определенных условиях переключаться с анаэробного на аэробное дыхание.
4.Строгие анаэробы размножаются только в анаэробных условиях т.е. при очень низких концентрациях молекулярного кислорода, который в больших концентрациях для них губителен. Биохимически анаэробное дыхание протекает по типу бродильных процессов, молекулярный кислород при этом не используется.
Аэробное дыхание энергетически более эффективно (синтезируется большее количество АТФ).
В процессе аэробного дыхания образуются токсические продукты окисления (H2O2— перекись водорода, -О2 — свободные кислородные радикалы), от которых защищают специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, пероксиддисмутаза. У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно- восстановительного потенциала (rH2).
Г)Рост и размножение бактерий
Рост бактерий – увеличение бактериальной клетки в размерах без увеличения числа особей в популяции.
Размножение бактерий – процесс, обеспечивающий увеличение числа особей в популяции. Бактерии характеризуются высокой скоростью размножения.
Рост всегда предшествует размножению. Бактерии размножаются поперечным бинарным делением, при котором из одной материнской клетки образуются две одинаковые дочерние.
Процесс деления бактериальной клетки начинается с репликации хромосомной ДНК. В точке прикрепления хромосомы к цитоплазматической мембране (точке-репликаторе) действует белок-инициатор, который вызывает разрыв кольца хромосомы, и далее идет деспирализация ее нитей. Нити раскручиваются, и вторая нить прикрепляется к цитоплазматической мембране в точке-прорепликаторе, которая диаметрально противоположна точке-репликатору. За счет ДНК-полимераз по матрице каждой нити достраивается точная ее копия.
Удвоение генетического материала – сигнал для удвоения числа органелл. В септальных мезосомах идет построение перегородки, делящей клетку пополам. Двухнитевая ДНК спирализуется, скручивается в кольцо в точке прикрепления к цитоплазматической мембране. Это является сигналом для расхождения клеток по септе. Образуются две дочерние особи.
Размножение бактерий определяется временем генерации. Это период, в течение которого осуществляется деление клетки. Продолжительность генерации зависит от вида бактерий, возраста, состава питательной среды, температуры и др.
Вопросы для закрепления нового материала:
НАЗОВИТЕ:
- Обязательные и необязательные компоненты бактериальной клетки;
- Методы для изучения морфологии бактерий, их значение;
- Оболочка бактерий, ее строение. Цитоплазматическая мембрана, ее роль;
- Капсула бактерий, роль;
- Споры, условия и механизм образования, значение спорообразования, методы
обнаружения спор;
- Жгутики, строение, роль. Методы изучения подвижности. Пили, их значение.
- Цитоплазма, включения цитоплазмы, их функции;
-Типы питания, дыхания микроорганизмов;
- Как осуществляется размножение микроорганизмов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Черкес, Ф.К. Микробиология: Учебник для мед. училищ. / Ф.К. Черкес, Л.Б. Богоявлинская, Бельска . - М.: Альянс, 2014. - 512 c.
2. Микробиология: учебник / Под ред. Зверева В.В.. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015. - 384 c.
3. Беляев, С.А. Микробиология: Учебное пособие / С.А. Беляев. - СПб.: Лань П, 2016. - 496 c.
Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 128; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!