Тема 2. Морфология микроорганизмов

Морфологические свойства (от греч. morphus - форма) микроорганизмов изучают под микроскопом в окрашенных и влажных (неокрашенных) препаратах. При этом обращают внимание на форму, взаимное расположение, размер и строение микробиальных клеток, выявляют наличие и характер спор, капсул, жгутиков, а также изучают тинкториальные свойства, т. е. способность микроорганизмов окрашиваться анилиновыми красителями и по методу Грама.

ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ БАКТЕРИЙ

Одноклеточные бактерии по внешнему виду можно разделить на три основные группы: шаровидные (кокки), палочковидные (цилиндрические) и спиралевидные (извитые).

Кокки (от греч. coccus - ягода) - клетки могут иметь правильную форму шара, форму кофейных зерен, быть вытянутыми наподобие пламени свечи или ланцета, иметь бобовидную форму.

Клетки кокков могут располагаться беспорядочно или образовывать определенные сочетания, зависящие от характера их деления. Основными сочетаниями являются микрококки, диплококки, стрептококки, тетракокки, сарцины, стафилококки.

Микрококки (Micrococcus) (от греч. micros - мелкий) - характеризуются беспорядочным расположением клеток.

Отдельно расположенные клетки шаровидных бактерий называют монококками.

Диплококки (Diplococcus) (от греч. diplos - двойной) - парные кокки. Такое расположение часто наблюдается у молочнокислых стрептококков и энтерококков.

Стрептококки (Streptococcus) (от греч. streptos - плетеный, витой) — располагаются в виде цепочек, что обусловлено особенностями деления клеток, происходящего, как и у диплококков, в одной плоскости. Отдельные клетки в цепочке соединяются друг с другом тончайшими цитоплазматическими тяжами, называемыми плазмодесмами.

Тетракокки (Tetracoccus) (от греч. tetra - четыре) - располагаются по четыре клетки, что обусловлено делением их в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Сарцины (от лат. sarcino - соединяю) - клетки располагаются кубиками, пакетообразно, ярусами по 4, 8, 16 особей. Образуются в результате деления клеток в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Стафилококки (Staphylococcus) (от греч. staphyle - виноградная кисть) - клетки располагаются в виде гроздьев винограда. Деление клеток происходит в различных плоскостях, вследствие чего они располагаются без определенной системы

Палочки имеют цилиндрическую или яйцевидную форму. Они могут быть короткими и длинными, толстыми и тонкими. Концы палочек бывают закругленными, заостренными, вздутыми или как бы обрезанными. Очень короткие палочки, напоминающие по форме шаровидные вытянутые клетки, называют коккобактериями; палочковидные, образующие ветвистые формы, напоминающие простейшие формы грибов, относят к микобактериям, а клетки, имеющие расширенный конец и внутри зернистость, - к коринебактериям.

Палочки, образующие споры, называют бациллами (от лат. bacillus - палочка), а не образующие спор - бактериями (от греч. bacterium - палочка). Среди спорообразующих помимо бацилл различают также клостридии (от греч. closter - веретено), у которых в отличие от бацилл в процессе спорообразования изменяется конфигурация клетки. Это обусловлено формированием споры, диаметр которой превышает ширину клетки, в результате чего она может приобретать форму веретена, лодочки, ложки, теннисной ракетки или барабанной палочки.

У большинства видов палочковидных микробов клетки располагаются беспорядочно, у некоторых - парами или цепочками. При этом их по аналогии с кокками называют диплобактериями или диплобациллами, стрептобактериями или стрептобациллами.

Сильно извитые формы делят на две группы: спирохеты и лептоспиры, относящиеся к семейству спирохет.

Слабоизвитые относятся к семейству спирилл. Они имеют от 4 до 6 витков. К этому же семейству относятся и вибрионы, имеющие лишь 1/4 завитка спирали и напоминающие слегка изогнутую запятую. Название происходит от лат. vibrio и переводится на русский язык «изогнутый, трепещущий», что указывает на активную подвижность вибрионов

СТРОЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Структурными компонентами клетки являются оболочка бактерий, состоящая из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и иногда капсулы; цитоплазма; рибосомы; различные цитоплазматические включения; нуклеоид (ядро). Некоторые виды бактерий имеют, кроме того, споры, жгутики, реснички (пили, фимбрии)

ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ ГРИБОВ

Дрожжевые грибы (дрожжи, аскомицеты) — это одноклеточные организмы, имеющие размеры в поперечнике 3- 5 мкм, по длине — 10-15 мкм. Формы клеток дрожжей разнообразны: круглые, овальные, яйцевидные и др.

Строение дрожжей более сложное, чем строение бактериальных клеток. У них имеются двойная оболочка и дифференцированное ядро, т. е. ядерное вещество окружено оболочкой. В цитоплазме имеются различные включения: капельки жира, зерна гликогена и волютина, а также вакуоли.

Размножаются дрожжи различными способами: почкованием, спорообразованием. Споры ( от греч. spora - семья) в количестве от 2 до 16 образуются в цитоплазме клеток при недостатке в среде питательных веществ, накоплении продуктов метаболизма (обмена) при доступе кислорода. Спорообразованию часто предшествует половое слияние клеток.

АКТИНОМИЦЕТЫ

Особое положение занимают лучистые грибы — актиномицеты (от греч. actinos - луч + myces - гриб). Это своеобразные микроорганизмы, сочетающие в себе свойства бактерий и грибов. Клетки актиномицетов представляют собой ветвистый мицелий из несептированных гиф (подобно фикомицетам). Поверхностные гифы образуют спороносцы со спорами.

По структуре, биохимическим свойствам, строению нуклеоида, оболочки и цитоплазмы актиномицеты являются прокариотами и почти аналогичны бактериям. В отличие от бактерий они образуют гифы и мицелий, размножаются спорами и оидиями, чем сходны с грибами. Согласно последней классификации актиномицеты отнесены к отделу хемотрофных бактерий, классу собственно бактерий.

МОРФОЛОГИЯ ВИРУСОВ

Размер вирусных частиц (вирионов) измеряется в нанометрах (нм) и колеблется в широком диапазоне от 10 до 200 нм. Их величину определяют фильтрованием через фильтры с известной величиной пор, по скорости оседания вирусных частиц во время ультрацентрифугирования, фотографированием в электронном микроскопе и др.

По форме вириона вирусы подразделяют на четыре группы

человека, животных, насекомых, растений, грибов и бактерий, так как они не могут синтезировать белки.

В молочной промышленности среди вирусов наибольшее значение: шаровидные (вирус гриппа), кубоидальные (вирус оспы, энтеровирусы), палочковидные (возбудитель болезни картофеля) и сперматозоидные, к которым относят вирусы бактерий бактериофаги.

Вирион состоит из ДНК или РНК, расположенной в центре вирусной частицы. Вокруг нуклеиновой кислоты располагаются одна или две оболочки (у сложных вирусов).

Первая оболочка получила название капсид (от греч. capsa - ящик), которая состоит из повторяющихся белковых субъединиц капсомеров (мономеров). Число капсомеров в капсиде постоянно у каждого вируса и составляет от 60 до 2000. Нуклеиновая кислота с капсид ом – нуклеокапсид представляет собой вирусную частицу простых вирусов.

Капсомеры располагаются в определенном порядке (симметрия), по характеру которого вирусы делят на три группы: со спиральным, кубическим и комбинированным типом симметрии.

Например, спиральный тип симметрии имеют вирусы палочковидной формы, вирусы с кубической симметрией (изометрические) имеют капсид в виде икосаэдра (двадцатигранника).

Вирусы являются облигатными внутриклеточными паразитами человека, животных, насекомых, растений, грибов и бактерий, так как они не могут синтезировать белки.

В молочной промышленности среди вирусов наибольшее значение

имеют бактериофаги. Они широко распространены в природе и встречаются в почве, водоемах, молоке, молочных продуктах, сточных водах, содержимом кишечника и др. Большинство фагов состоят из шаровидной головки и удлиненного отростка (рис. 15). В головке фага содержится специфическая нуклеиновая кислота с белковой оболочкой, а в отростке - протеин.

Отросток фага образован полым стержнем диаметром около 8 нм. Снаружи стержень окружен чехлом, представляющим собой полый цилиндр, способный к сокращению. На нижнем конце отростка имеется шестиугольная базальная пластинка, в каждом углу которой располагаются короткие зубцы.

От каждого зубца отходит по одной нити длиной 150 нм. С помощью базальных пластинок и нитей фаг адсорбируется (прикрепляется) на поверхности бактериальной клетки.

Капсид головки фага и чехол отростка построены из упорядоченных полипептидных субъединиц (капсомеров), располагающихся в головке по кубическому, а в отростке - по спиральному типу симметрии. Под чехлом нижней части отростка содержится лизоцим. Под действием лизоцима в клеточной стенке бактерий образуется отверстие, через которое впрыскивается нуклеиновая кислота бактериофага в клетку.

Студенты должны усвоить следующее: основные формы бактерий; размеры микроорганизмов; строение бактериальной клетки; особенности морфологии грибов; характеристику лучистых грибов; морфологию вирусов.

Тема 3. Основы генетики микроорганизмов.

ПОНЯТИЕ О НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ

Генетика- биологическая наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов.

Наследственность- это свойство организмов передавать своему потомству присущие им признаки строения, физиологические особенности и специфический характер индивидуального развития. Другими словами, это процесс воспроизведения организмами в последующих поколениях сходного типа обмена веществ, признаков и свойств.

Изменчивость - явление противоположное наследственности. Она заключается в возникновении различий между особями по ряду признаков или свойств, а также в вариабельности их проявлений в процессе развития организмов при взаимодействии с окружающей средой, т.е. это свойство организмов приобретать новые признаки в процессе индивидуального развития.

Явления наследственности и изменчивости играют особенно важную роль в жизни микроорганизмов, которые отличаются интенсивным обменом веществ, быстрым темпом размножения и сменой поколений, а также чрезвычайно высокой способностью приспосабливаться к новым условиям обитания.

МАТЕРИАЛЬНАЯ ОСНОВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. Генетическим материалом бактерий, как и других организмов, являются нуклеиновые кислоты - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Нуклеиновые кислоты - это высокомолекулярные вещества, биополимеры, хранящие и передающие у всех организмов наследственную информацию. Состоят из нуклеотидов, последовательность расположения которых определяет синтез специфических белков.

Первичным генетическим материалом, или материальной основой наследственности, является ДНК, которая служит носителем генетической информации, из ДНК построены непосредственно генетические структуры - хромосомы и гены, бактериальные плазмиды и бактериальные вирусы (бактериофаги).

ДНК бактерий локализуется в ядерной зоне, где ее молекула часто прикрепляется к мезосомам и цитоплазматической мембране. Если бактерии имеют плазмиды, то ДНК располагается и в цитоплазме клетки.

Плазмидами называют внехромосомные, внеядерные молекулы ДНК, способные к самостоятельной репликации и передающиеся в дочерние клетки при делении бактерии.

Под репликацией ДНК понимают удвоение молекул ДНК. Двойная цепь ее сначала разделяется на две, и на каждой из образовавшейся цепей под действием фермента ДНК - полимеразы достраиваются новые комплементарные (недостающие) дочерние цепи нуклеотидов.

В каждой нити ДНК закодирована генетическая (наследственная) информация. Отдельные участки молекулы ДНК представляют собой функциональные генетические единицы - гены, которые являются основным материальным элементом наследственности.

Специфическая информация, содержащаяся в гене, определяется последовательностью оснований в цепи ДНК. «Алфавит», с помощью которого записана эта информация ДНК, включает четыре «буквы» -основания аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). В и-РНК тимин заменен урацилом (У).

Гены входят в состав хромосом и контролируют определенную ступень обмена веществ в организме, тем самым оказывают специфическое действие на развитие одного или нескольких признаков, т.е. обладают элементарной биохимической функцией, например, определяют структуру одного фермента.

Хромосомами называют элементы клеточного ядра, состоящие из ДНК и белков. Они являются основными носителями наследственной информации организма.

Участок хромосомы, в котором локализован ген, называется локусом хромосомы, а хромосомный аппарат ядра или аналогичной ему структуры составляет геном клетки.

Генетический код обусловливает последовательность расположения азотистых оснований в ДНК, что определяет и последовательность расположения аминокислот в синтезируемом белке.

Полный набор генов, которым обладает клетка, представляет собой генотип, определяющий развитие признаков и свойств микроорганизмов.

Совокупность наблюдаемых признаков и свойств микроорганизмов, сформировавшихся на основе генотипа и проявляющихся в тех или иных условиях их существования, принято называть фенотипом. Например, при выращивании эшерихий в среде, лишенной лактозы, не вырабатывается фермент лактаза, а при культивировании их в лактозной среде этот фермент синтезируется; патогенные стафилококки синтезируют фермент пенициллиназу при длительном их выращивании на средах с пенициллином.

РНК является вторичным генетическим материалом и участвует в разных этапах генетической информации, так как существуют различные типы этой нуклеиновой кислоты: информационная или матричная (и-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомная (р-РНК). У РНК-содержащих бактериофагов РНК является первичным генетическим материалом.

ФОРМЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ

Изменчивость микроорганизмов подразделяют на наследственную и ненаследственную, или модификационную.

Наследственная изменчивость обусловлена изменениями в генетическом аппарате клетки. Она проявляется в виде генетических рекомбинаций и мутаций.

Студенты должны усвоить следующее: понятие о наследственности и изменчивости; материальная основа наследственности; понятие генотипа и фенотипа; формы изменчивости; генетические рекомбинации; мутации; основные типы изменчивости; понятие о селекции микроорганизмов; сущность генной инженерии.