Медицинская микробиология изучает морфологию, физиологию обмена веществ, факторы патогенности, механизмы их реализации на клеточном и молекулярно-генетическом уровнях у возбудителей инфекционных заболеваний человека и разрабатывает специфические методы их диагностики, лечения и профилактики. Достижения микробиологии, вирусологии, в особенности генетики микроорганизмов, а также иммунологии позволили понять фундаментальные процессы жизнедеятельности, протекающие на молекулярно-генетическом уровне. Они обусловливают современное понимание сущности механизмов развития заболеваний (патогенеза болезни) и намечают пути их наиболее эффективного предупреждения и лечения. Практическое значение этих наук определяется тем, что инфекционные болезни по-прежнему представляют грозную опасность для здоровья и жизни людей. По данным ВОЗ, из 51 млн человек, ежегодно умирающих в мире в последнее время, более чем у 16 млн причиной смерти являются инфекционные болезни. В России ими ежегодно болеют от 30 до 50 млн человек. В XX в. мировому сообществу удалось ликвидировать только одну болезнь — натуральную оспу, а столкнулось человечество с 36 новыми и «возникающими» инфекциями (СПИД, болезнь Лайма, Марбурга, легионеров, вирусные гепатиты, геморрагические лихорадки и др.).
В будущей деятельности врачей и провизоров необходимы знания вопросов общей и санитарной микробиологии, клинической и фармацевтической микробиологии с иммунологией, а также частной микробиологии.
Все известные живые организмы в природе можно разделить на 4 существенно отличающиеся друг от друга царства: вирусы и плазмиды, архебактерии, эубактерии и эукариоты. Архебактерии и эубактерии по признаку отсутствия оформленного клеточного ядра объединяют в группу прокариот. К ним относятся бактерии, сине- зеленые водоросли, спирохеты, актиномицеты, риккетсии и подобные им бактерии, а также микоплазмы. Простейшие, дрожжи, нитчатые грибы и все другие группы живых существ с более высоким уровнем организации, имеющие оформленное клеточное ядро, называются эукариотами.
К царству вирусов и плазмид относят организмы, у которых геном представлен либо ДНК, либо РНК; у них отсутствуют собственные системы биосинтеза белка и мобилизации энергии, поэтому они являются абсолютными внутриклеточными паразитами.
Прокариоты (эубактерии и архебактерии) — это организмы, у которых еще нет оформленного ядра, а есть лишь его предшественник — нуклеоид. У прокариот нет митохондрий и хлоропластов. Среди них есть аэробные и анаэробные организмы.Имеют малые размеры. Эубактерии имеют КС, содержащую пептидогликан, который отсутствует у эукариот.
Архебактерии: КС не содержит пептидогликана; у архебактерий особая химическая структура липидов, иной компонентный состав РНК-полимераз, различие в химическом составе и строении рибосом от эубактерий.
Среди архебактерий выделяют следующие группы:
Метаногены — организмы, являющиеся строгими анаэробами. Энергию для роста получают путем восстановления С02 до метана.
Экстремальные галофилы — аэробные бактерии, способные расти в насыщенном растворе NaCl.Обладают системой фотосинтеза, отличной от таковой у других фотосинтезирующих бактерий (в мембране галофильных бактерий присутствует не хлорофилл, а бактериородопсин).
Термоацидофилы — характеризуются высокими оптимальными температурами (от 75 до 90 °С) и низкими значениями рН (от 5-6 до 1-2), опимальными для своего роста.
Патогенных для человека видов среди архебактерий не обнаружено.
Эукариоты имеют дифференцированное ядро, митохондрии или хлоропласты, нет пептидогликана; все они — аэробные организмы. К эукариотам относятся все высшие растения и животные.
Основные структурные компоненты бактериальной клетки: КС, ЦПМ, цитоплазма (ядерный аппарат, рибосомы, плазмиды, ферменты, мезосомы, различные включения), капсулы, споры, жгутики, фимбрии, пили.
В состав МО входят вода, белки, НК, УВ, липиды, мин. в-ва.
Вода - основной компонент клетки, составляет 80 % от общей массы.
Белки – 40-80% сухой массы, находятся в структурных компонентах. Большая часть обладает ферментативной активностью. Белки бактериальной клетки обусловливают антигенность, вирулентность, видовую принадлежность бактерий.
НК – ДНК в виде хромосомы отвечает за наследственность, РНК участвуют в биосинтезе белка.
УВ представлены моно- и дисахаридами, а также комплексными соединениями. Полисахариды входят в состав капсул, а внутриклеточные являются запасными пит. в-вами.
Липиды в основном входят в состав в состав ЦПМ и её производных, а также КС. Представлены фосфолипидами, глицеридами и жирными кислотами.
Мин. в-ва – фосфор, калий, натрий, сера, железо, цинк, медь. Они участвуют в регуляции осмотического давления, рН среды, активируют ферменты.
Все бактерии, в зависимости от их отношения к окраске по Граму, делятся на грамположительные и грамотрицательные. Суть окраски по Граму заключается в том, что вначале бактерии окрашивают кристаллическим или генциановым фиолетовым, а затем — раствором Люголя, после чего мазок обрабатывают спиртом и докрашивают водным фуксином. Грамотрицательные бактерии обесцвечиваются спиртом и поэтому окрашиваются в красный цвет, а грамположительные не обесцвечиваются и сохраняют фиолетовую окраску. Это свойство грамположительных бактерий зависит исключительно от особенностей химического состава и структуры их клеточных стенок.
Причину различного отношения бактерий к окраске по Граму объясняют тем, что после обработки раствором Люголя образуется не растворимый в спирте комплекс йода с генциановым фиолетовым, который у грамположительных бактерий в связи со слабой проницаемостью их стенки не может диффундировать из клетки, в то время как у грамотрицательных легко удаляется при промывании их этанолом, а затем водой.
Различия в структуре КС грамположительных и грамотрицательных бактерий:
У Г+ мощный слой пептидогликана, есть тейхоевые кислоты, мало липидов, нет ЛПС, нет наружной мембраны.
У Г- нет тейхоевых кислот, есть наружная мембрана, есть липопротеин, ЛПС, 1-2 слоя пептидогликана.
Тинкториальные свойства бактерий - способность окрашиваться различными красителями.
Историю развития микробиологии можно разделить на 5 этапов: эвристический, морфологический, физиологический, иммунологический и молекулярно-генетический.
Эвристический период (IV тысячелетие до н. э. –XVI в. н.э )Мыслители того времени лишь высказывали предположения о природе заразных болезней.Эти представления были сформулированы в гипотезу итальянским врачом Д. Фрикасторо, высказавшим идею о существовании невидимых возбудителей болезни. Он явл. одним из основоположников эпидемиологии.
Голландец А. Левенгук сконструировал микроскоп.Он изучал под микроскопом различные объекты, а свои наблюдения отправлял в Лондонское королевское общество. Т. о., с изобретением микроскопа начинается следующий этап – морфологический.
Хотя проявление болезней теперь связывалось с теперь уже открытыми МО, стоял вопрос о способе появления и размножения МО. Л.Пастер в своём опыте показал, что самозарождения не существует. Он поместил стерильный бульон в колбу, сообщавшуюся с атмосферным воздухом через S-изогнутую трубку. В такой открытой колбе бульон при длительном стоянии оставался прозрачным, потому что изогнутость трубки не давала возможности МО проникнуть с пылью и воздухом в колбу. Л. Пастер также открыл явление анаэробиоза, заложил основы дезинфекции, асептики, антисептики, открыл способ предохранения от инфекционных болезней с помощью вакцинации.
Бурное развитие микробиологии в XIX в. привело к открытию возбудителей многих инфекционных болезней (сибирская язва, чума, столбняк, холера и др. )
Наконец, русский учёный Д.И. Ивановский открыл вирусы. В начале был открыт вирус, вызывающий заболевания табака.
Открытие новых МО сопровождалось изучением не только их строения, но и жизнедеятельности. Поэтому XIX в. называют физиологическим периодом. Этот период связан с именем немецкого учёного Р. Коха, которому принадлежит разработка методов получения чистых культур бактерий, окраска бактерий при микроскопии.
Работы Л.Пастера по вакцинации открыли новый этап – иммунологический. Этот период характеризуется открытием основных реакций иммунной системы на АГ. И.И. Мечников в своих исследованиях показал, что большая роль в формировании иммунитета принадлежит макро- и микрофагам.В этот период был создан ряд теорий иммунитета.
С 50-х гг. XX в. в развитии микробиологии начался молекулярно-генетический период, характеризующийся рядом важных достижений и открытий, благодаря появлению генетической инженерии, биотехнологии, информатики, созданию новой научной аппаратуры.
Особенность питания бактериальной клетки состоит в поступлении питательных субстратов внутрь через всю её поверхность.
Аутотрофы-использующие CO2 и др. неорганические соединения.(нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии).
Гетеротрофы-питающиеся за счёт готовых орг. соединений. (Сапрофиты-утилизирующие орг. остатки отмерших организмов в окр. среде; Облигатные и факультативные паразиты)
Учитывая источник энергии, среди бактерий различают Фототрофы и Хемотрофы.
Механизмы питания бактерий:
1).Простая диффузия – из-за разницы концентраций по обе стороны цитоплазматической мембраны.
2).Облегчённая диффузия – из-за разницы концентраций и с помощью молекул-переносчиков в ЦПМ.
3).Активный транспорт – с помощью пермеаз, направленный на перенос от меньшей концентрации к большей, сопровождается затратой АТФ.
4).Перенос (транслокация) групп – сходен с активным транспортом, но переносимая молекула видоизменяется в процессе переноса, например фосфорилируется.
Ферменты бактерий: Экзоферменты и эндоферменты.
1). Конститутивные: синтезируются непрерывно, вне зависимости от наличия субстратов в пит. среде.
2).Индуцибельные: синтезируются только при наличии в среде субстрата данного фермента.
3).Репрессибельные:
По типу дыхания подразделяются на следующие четыре группы:
1)облигатные аэробы (могут расти только в присутствии кислорода);
2)облигатные анаэробы (могут прекрасно развиваться при полном отсутствии О2, соприкасаясь с воздухом вегетативные формы быстро погибнут, но споры устойчивы к О2, нет ферментных систем, способных перенести Н2 на свободный О2).
4)факультативные анаэробы (могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях, имеют ферменты, переносящие Н2 на свободный О2);
3)микроаэрофилы (нуждаются в уменьшенной концентрации свободного кислорода);
Рост и размножение бактерий
Бактерии размножаются путём бинарного деления пополам, реже почкованием. Актиномицеты, как и грибы, могут размножаться спорами, путём фрагментации нитевидных структур. Г+ бактерии делятся путём врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки, а Г- бактерии – путём перетяжки, в результате образования гантелевидных фигур, из которых образуются две одинаковые клетки.
При делении клетки происходит удвоение нуклеотида и расхождение нуклеотидов за счёт растяжения мембраны между ними.
Бактерии засеянные в определённый, не изменяющийся объём пит. среды, размножаясь, потребляют пит. элементы, что в дальнейшем приводит к истощению пит. среды и прекращению роста бактерий. Культивирование бактерий в такой системе называют периодическим культивированием, а культуру – периодической. Если же условия культивирования поддерживаются путём непрерывной подачи свежей пит. среды и оттока такого же объёма культуральной жидкости, то такое культивирование называется непрерывным, а культура – непрерывной. Есть также синхронные типы культур, в кот. все члены популяции находятся в одной фазе цикла.
При выращивании бактерий на жид. пит. среде наблюдается придонный, диффузный или поверхностный рост культуры. Рост периодической культуры бактерий, выращиваемых на жид. пит. средах, подразделяют на неск. фаз:
Лаг-фаза;
Фаза логарифмического роста;
Фаза стационарного роста;
Фаза гибели бактерий.
Бактерии, растущие на плотных пит. средах образуют изолированные колонии округлой формы с ровными или неровными краями, различной консистенции и цвета.
Типы культивирования
Для выращивания бактерий используют следующие типы их культивирования:
Стационарный способ: питательные среды сохраняются постоянными, с ними никаких дополнительных манипуляций не производят. (в термостате).
Метод глубинного культивирования с аэрацией: Для выращивания с помощью этого способа применяют специальные устройства — реакторы. Они представляют собой герметические котлы (приспособленные автоклавы), в которые заливается жидкая питательная среда. Реакторы снабжены автоматическими приспособлениями, позволяющими поддерживать постоянную температуру, оптимальное рН, дозированное поступление необходимых дополнительных питательных веществ
Использование проточных питательных сред: позволяет создать условия, при которых клетки имеют возможность длительное время находиться в определенной фазе роста при постоянной концентрации питательных веществ и в одних и тех же условиях, обеспечивающих непрерывный рост культуры. Методы получения непрерывных культур основаны на том, что в аппарат, где растут клетки, непрерывно добавляют свежую питательную среду и одновременно из него удаляют соответствующее количество бактерий. (в промышленности).