Уровни организации клеточных организмов и микроорганизмов

Предмет микробиологии. Положение микроорганизмов в природе. Общая характеристика микроорганизмов. История развития микробиологии как науки.

Микробиология — наука о микроорганизмах. Микроорганизмы — организмы, размеры которых меньше 0,1 мм. Для обнаружения микроорганизмов используют световые микроскопы с увеличением до 3000 р. И электронные – до 100 тыс. р.

В настоящее время весь клеточный мир разделен на:

-прокариот (доядерные);

-эукариот (ядерные);

Прокариоты — бактерии и архибактерии, которые составили царство дробянок. Эукариоты — растения (царство Plantal), животные (царство Animalia), грибы (царство Fungi).

Структурные и генетические отличия, функциональные и химические

Особенности организации	Прокариоты	Эукариоты
Структурные отличия
Наличие вторичных полостей, создаваемых цитоплазматической мембраной (ЦПМ)	+	-
Ядро	Нуклеоид	Диферинцированное ядро, которое включает ядрышки и хромосомы, окруженные ядерной оболочкой
Аппарат Гольджи, митохондрии, хлоропласты, Эндоплазматический Ритикулум (ЭР)	-	+
Вакуоли	Встречаются редко	Встречаются часто
Размер цитоплазматических рибосом	70S (распадаются на 2 субъединицы 30S и 50S)	80S (распадаются на 2 субъединицы 40S и 50S)
Жгутики	Состоят из 1 или нескольких фибрилл	Независимо от организации жгутики состоят из 20 микрофибрилл
Генетическое отличие
Организация ядерной ДНК	Не отделена от ЦПМ	Имеется ядерная оболочка
Хромосомы	1 кольцевая	Больше 1
Гистоны в хромосоме	- (у некоторых имеются гистоноподобные белки)	+
Митоз, мейоз	-	Одна из форм деления
Функциональное отличие
Дыхательная система	Часть ЦПМ	Осуществляется в митохондриях
Движение цитоплазмы	-	+
Фагоцитоз и пиноцитоз	-	+
Внутриклеточное пищеварение	-	+
Устойчивость к γ- облучению	высокая	низкая
Верхний придел температур, ºС	75-90	40-60
Химические различия
Пептидогликаны	+	-
Тейхоевые кислоты	+	-
Стерины в структуре мембран	- (кроме микоплазм)	+
Липополисахариды	+	-

Бактерии

Одноклеточные организмы, размеры которых варьируют от 0,1—500 мкм и которые обладают автотрофным или гетеротрофным типом питания. Среди прокариот имеются фототрофы, которые способны получать энергию солнечного света и хемотрофы, которые получают энергию, путём расщепления химических соединений.

По отношению к кислороду бактерии можно поделить на:

- аэробов (для их жизнедеятельности необходим кислород);

-анаэробов (живут без доступа кислорода);

Также имеются факультативные организмы, которые могут переключать метаболизм с одного типа на другой.

К бактериям относятся истинные бактерии или эубактерии, а также риккеции и хламидии (внутриклеточные паразиты), актиномицыты (лучистые грибки), прокариоты, способные образовывать мицелий. Все прокариоты являются микроорганизмами.

Архибактерии

Отличаются от истинных бактерий строением клеточной стенки, структурой мембраны, строением рибосом, особенностями метаболизма, а также своей экологией. Среди архибактерий встречаются экстремальные термофилы и экстремальные галофиты.

Животные

Организмы с галазойным типом питания, реже — абсортивным. Животные являются гетеротрофами, то есть питаются готовыми органическими соединениями.

Ведут активный образ жизни. Исключением являются губки, которые ведут прикрепленный способ существования (вторичные формы). Размножаются без помощи спор, исключением являются споровики (Sporozoa) — класс из типа Protozoa. В качестве запасных питательных веществ используют гликоген.

Растения

Это автотрофные организмы, которые получают углерод из СО₂, являются фототрофами, способны к фотосинтезу. Исключение — вторичные гетеротрофы, безхлорофильные.

Клетки растений имеют плотную клеточную стенку (целлюлоза). В качестве запасных питательных веществ используют крахмал. Существуют прикрепленные (высшие) и не прикрепленные растения.

Грибы

Предполагают, что грибы произошли от истинно гетеротрофных амебоидных двухжгутиковых простейших.

Особенности, которые сближают их с животными:

1. Азотный обмен (конечный продукт — мочевина);

2. Имеют тРНК, первичные структуры цитохромов (окислительно-восстановительный фермент в системе дыхательной цепи), плотную клеточную стенку, состоящую из хитина целлюлозы.

Особенности, которые сближают их с растениями:

1. Абсортивное питание, реже — галозойное;

2. Размножаются при помощи спор;

3. Характеризуются апикальным ростом;

4. Могут быть прикрепленными организмами с неограниченным ростом.

Различают высшие и низшие эукариоты. Среди эукариотических микроорганизмов есть микроскопические животные, которые относятся к типу Protozoa. Среди растений можно выделить микроскопические водоросли. Среди грибов — плесневые грибы, дрожжевые и дрожжеподобные организмы.

Уровни организации клеточных организмов и микроорганизмов

По уровням организации различают одноклеточные организмы, многоклеточные и целоцитные.

Одноклеточные состоят из 1 клетки. Отличие связано с размерами и формами клеток. Среди многоклеточных различают клетки с высокой и низкой организацией клеточной структуры. С низкой — одноклеточный колониальный уровень: клетки одинаковые и выполняют одинаковые функции. С высокой — ткани и органы.

Целоцитные — многоклеточные организмы, клетки которых не имеют четкого различия, имеют большие поры, ядра мигрируют (водоросли, грибы).

Микроорганизмы (м/о) — одноклеточные организмы, целоцитные с низким уровнем организации. Для удобства Геккель в 19 веке предложил градацию организмов на 5 царств. Такая градация носит искусственный характер и создана для удобства терминологии:

Аккариоты — внеклеточные организмы (безядерные формы). Это вирусы, вироиды. Вирусы — это внеклеточные формы жизни, которые являются облигатными внутриклеточными паразитами, причем паразитируют на генетическом уровне: подчиняют геном клетки, в которой они паразитируют, либо выключают его из клеточного метаболизма. А клетку заставляют работать, используя генетический код собственного генома. Вирусы проходят через бактериальные фильтры, то есть имеют очень маленькие размеры. Облигатный паразитизм приводит к тому, что вирусы не могут быть выращены на искусственных питательных средах (ПС). Для их размножения используют живые системы (клетки животных, растений, человека).

Вирусы отличаются от других клеточных организмов по химическому составу и по форме существования в природе.

Форма:

1) вегетативная;

2) кристаллическая (во внешней среде).

Прионы — аккариоты, инфекционные трансмиссивные (передающиеся) РНК, у которых нет белковой оболочки. Они вызывают некоторые заболевания растений. Инфекционные белки, не содержащие нуклеиновых кислот.

Независимо от того, к какому царству относятся микроорганизмы, все они имеют определенные свойства:

1. Малые размеры.

Вирусы — 10-100 нм; бактерии — 0,1-500 мкм; сине-зеленые водоросли имеют средний размер около 10 мкм, а простейшие и грибы — до 10 мкм.

2. Высокое отношение площади поверхности к объему клетки.

3. Высокая скорость обменных процессов.

В 1893 году Рубнер сформулировал правило, согласно которому энергетический обмен животного, пропорционально не массе, а поверхности его тела. М/о при создании идеальных условий перерабатывают за сутки в 30-40 р больше веществ, чем свой вес (за сутки синтезируют 0,5 тонн дрожжей — 50 тыс. тонн белка).

4. Высокая скорость размножения.

Бактериальная клетка в среднем имеют время генерации (отрезок времени между двумя делениями) — 20-30 минут. Дрожжи делятся с интервалом в 2 часа. Другие грибы, не м/о, — 48 часов. Растения делятся 1-2 недели, животные — 1-2 месяца.

5. Пластичность метаболизма.

Все м/о имеют хорошие адаптационные способности: легко адаптируются к внешним условиям. Это свойство связано с определенным набором ферментов, с помощью которых клетка может переключать свой метаболизм с одного механизма на другой (факультативыные анаэробы - могут жить в среде, содержащей кислород и в бескислородной среде).

6. Повсеместное распространение микроорганизмов по всей планете (занимают практически все ниши на нашей планете).

История развития м/о

1. Морфологический (описательный) период. Длился 150 лет. Ни Левенгук, ни его последователи не ставили перед собой цель выяснить роль м/о в природе и жизни человека.

2. Эколого-физиологический период. Луи Пастер открыл анаэробный способ жизни. Он также открывает истинную причину порчи вина, пива, показав, что процесс сбраживания углеводов до спирта осуществляется м/о, которые развиваются в анаэробной среде. Порча вина и пива была связана с жизнедеятельность уксусно-кислых бактерий. Пастер предлагает пастеризацию — глубинное прогревание пива (60-70ºС) с целью сохранения свойств и срока хранения.

Пастер также открывает причину бешенства и сибирской язвы. Он разрабатывает принцип аттенуации (ослабления вирулентности). Вирулентность — это степень патогенности, способность вызывать заболевание. Пастер использовал принцип частых пересевов, которые длились несколько лет: культура генетически изменялась, но при этом сохранялись иммуногенные свойства, и терялась вирулентность.

В 1886 году в Одессе открылась первая Пастеровская школа. И на основе работ этого ученого были разработаны многие вакцины.

Роберт Кох открывает туберкулёзную палочку (палочка Коха) и холерный вибрион. Кох и его ученики разработали правило работы с культурами м/о.

• Разрабатывались способы приготовления плотных ПС. Сначала это был желатин (он расщеплялся многими м/о и плавился при температуре 37º С). Затем полисахарид — агар-агар, который выделяли из красных водорослей. Использование плотных ПС облегчило получение чистых культур микроорганизмов. Используя чистые культуры м/о Кох разрабатывает «триаду Коха»;

• методы окрашивания м/о с помощью анилиновых красителей;

• метод микрофотографирования бактерий.

И.И. Мечников получил Нобелевскую премию. Он изучал проблемы механизмов иммунного ответа и ему принадлежит фагоцитарная теория иммунитета. Он показал роль макрофагов, которые имеют способность к фагоцитозу (уничтожение чужеродных м/о).

Эрлих разработал гуморальную теорию иммунитета. Согласно его теории, главная роль нейтрализации чужеродных агентов в организме принадлежит антителам.

Мечников занимался проблемами борьбы со старостью. Причиной старения он считал то, что кишечник плохо очищается, и в нем развиваются гнилостные м/о. Он открыл антагонизм : молочно-кислые бактерии способны задерживать рост других м/о. Изучает холеру, сифилис, туберкулёз. Мечников закладывает основы исследования про антигенную специфичность органов и тканей. Впервые выясняет антагонистическую способность грибов по отношению к насекомым и предлагает использовать некоторые грибы в качестве средств борьбы с насекомыми — вредителями с/х.

Виноградский С.Н. открывает явление хемосинтеза и значение микроорганизмов в круговороте N, S, C, Fe. На трудах этого учёного базируется микробиология (м/б) почвы.

Бейеринг решил проблему фиксации азота м/о и раскрыл механизм круговорота азота в природе. Он впервые выделили м/о из почвы рода Azotobacter. А также м/о относящийся к роду Rhizobium. На основе м/о были получены бактериальные удобрения, которые обогащают почву.

Ивановский Д.И. (конец 19, начало 20 века) открыл новый класс внеклеточных живых веществ — вирусов. Первый вирус, который был открыт — вирус табачной мозаики.

Заболотный Д.К. изучая чуму открыл, что это заболевание передается грызунами.

3. Современный этап. Развитие всех дисциплин (м/б, биология клетки и т.п.). Деферинциация м/б на отдельные направления:

— общая м/б (изучает общий состав и химические структуры клетки, ее систематику и экологию);

— ветеринарная и медицинская (патогенные для человека и животных м/о, а также способы лечения и профилактики различных заболеваний);

— с/х м/б (изучает роль м/о в плодородной почве, способы повышения ее плодородия, изучение патогенных для растений м/о, разработка защиты и борьбы против инфекции);

— генетика м/о (изучение молекулярной структуры генов прокариот, функционирование и репликация генов, процессы мутагенеза, разрабатываются методов генетического конструирования — получение новых штаммов с заданными свойствами);

— водная м/б (разрабатывает микробные методы очистки сточных вод);

— геологическая м/б (исследует роль м/о в круговороте абиогенных элементов и образование полезных ископаемых, а также разрабатывает методы получения редких металлов из обеднелых руд);

— космическая м/б (влияние на м/о космических условий, изучение жизни на других планетах);

— техническая м/б (разработка и внедрение способов получения биологически-активных веществ с помощью м/б синтеза, что является основной составляющей частью биотехнологии).

Грибы

По размеру их делят на микроскопические (более 30 тыс. видов) и макроскопические (20 тыс. видов). По уровню организации грибы делятся на низшие и высшие. Вегетативное тело гриба — таллом состоит из переплетающихся нитей (гифов — 5 мкм в толщину). Гифы состоят из клеточной стенки, цитоплазмы с органоидами, типичными для эукариот. По строению гифы делят на 3 вида:

— несептированные гифы (у низших грибов);

— не полностью септированные;

— септированные.

Совокупность гифов называется мицелием. По отношению у субстрату мицелий делится на воздушный (над субстратом) и поверхностный (субстратный). У грибов очень часто наблюдается изменение мицелия. Видоизменения мицелия связаны с их функциями:

1) столоны — дугообразные гифы, с помощью которых грибы перемещаются по субстрату.

2) ризоиды — возникают на прикосновение с твердым субстратом;

3) аппрессории (присоски) — гифы позволяют прикрепляться на отвесных стенах;

4) гипофодии — накопление запасных питательных веществ;

5) ловчие петли — захват насекомых;

6) склероции — склеенные гифы, покрытые общей оболочкой, выдерживают неблагоприятные условия среды.

Для грибов характерен апикальный рост. Причем у большинства большая часть мицелия способна к росту. По мере развития мицелия цитоплазма в старых участках отмирает. Размеры мицелия неограниченны.

Размножение — вегетативное, бесполое и половое.

Вегетативное размножение осуществляется:

- кусочками мицелия с ядром;

- артроспорами (распад мицелия на отдельные клетки);

- хламидоспорами (напоминают артроспоры, но покрыты более плотной оболочкой);

- почкование.

Бесполое размножение осуществляется при помощи спор (формируются на специальных гифах — конидиеносцы), причем споры могут формироваться эндогенно, т.е. внутри спорангия, и экзогенно. У некоторых спор могут быть жгутики (зооспоры).

Половое размножение осуществляется путем образования и слияния гамет с образованием зиготы. В процессе слияния гамет можно выделить 3 фазы:

- плазмогамия (с помощью мембраны);

- кариогамия (слияние гаплоидных ядер);

- мейоз или редукционное деление (восстановление гаплоидного числа хромосом). Процесс завершается образованием нового спорангия, а вегетативное тело гриба представляет собой гаплоидную фазу.

В зависимости от строения мужско и женской гаметы различают три вида полового размножения:

— изогамия (слияние одинаковых подвижных гамет);

— гетерогамия (слияние 2-х подвижных гамет, причем женская клетка намного больше мужской;

— оогамия (формирование женских половых органов — оогоний и мужских — антиридий)

- когда оплодотворенные во внешней среде гаметы — подвижны;

- подвижна мужская, которая проникает в неподвижную женскую клетку;

- формируются 2 разных структуры и антиридий переливается в оогонию, где и происходит оплодотворение — зигогамия.

Те грибы, у которых на 1 вегетативном теле образуются как женские, так и мужские гаметы — называются гермафродитами. Не все мужские и женские гаметы совместимы и способны оплодотворятся. У многих из этих грибов могут сливаться те клетки, у которых есть «+» и «-»— гетероталлизм.

Классификация грибов:

1. Фикомицеты (низшие грибы):

1) хитридиевые грибы — не имеют мицелия или он слабо развит, образуют зооспоры, половой процесс -изо-, гетеро- и реже оогамия, при последнем способе размножения происходит вне гаметангии. Среди них много паразитов и морских водорослей, а также паразитов, обитающих в воде. Встречаются и наземные виды, которые встречаются в почве — возбудитель рака картофеля.

2) оомицеты — водные и наземные грибы. В отличие от первого класса мицелий хорошо развит, он целоцитный. Оплодотворяется при помощи зооспор. Подвижна только мужская гамета.

3) зигомицеты — споры неподвижны, половой процесс - оогамия (зигогамия) — мукоровые грибы.

2. Высшие грибы( эумицеты):

4) аскомицеты или сумчатые грибы — мицелий развит и разделен поперечными перегородками. Основной орган размножения — с помощью конидий (бесполый). Дрожжи (50%), аскомицеты, трюфели, сморчки, пенициллы, аспергиллы.

5) базидиомицеты — имеют развитый мицелий, половой процесс получил название — соматогамия (слияние 2 вегетативных клеток). Половой продукт — базидия. К этому классу относятся пластинчатые, трубчатые грибы и некоторые дрожжи.

6) Дейтеромицеты (Fungi imperfecti), несовершенные грибы, мицелий — развитый, размножение — бесполое (конидии), половой процесс не обнаружен. К этому классу относятся дрожжи и возбудители заболеваний с/х культур.

Дрожжи — грибы, которые утратили способность к образованию мицелия. Дрожжи не составляют отдельный класс грибов, они не составляют отдельный класс, а относятся к 3-му классу высших грибов. 50% высших грибов — аскомицеты. Дрожжи — одноклеточные грибы. Размеры — 1-10 мкм, средние — 5-7 мкм. По своей морфологии они разнообразны: они могут приобретать различную форму (овальную, цилиндрическую, серповидную). Могут образовывать ложный мицелий.

1. Морфология определяется типом вегетативного размножения:

1.1 Почкование. Возникают круглые, яйцевидные или овальные клетки. При множественном почковании, когда клетка закладывается на нескольких участках клетки, может образовываться звездчатая форма. В результате почкования без отрыва почки от материнского организма и продолжение почкования приводит к возникновению ложного мицелия (род Candida).

1.2 Почкующееся деление. Почка закладывает у основания клетки в результате чего может образовываться грушевидная (почка с одной стороны) или веретеновидная (почка с двух сторон).

1.3 Деление. Обычное деление бывает редко, при этом процессе 1 материнская клетка дает 2.

2. Бесполое размножение. Осуществляется при помощи специальных клеток и спор — баллистоспор, эндоспор. Баллистоспора образуется на специальном выросте — стеригме, после чего отбрасывается на расстояние. Эндоспоры закладываются внутри материнской клетки (2-10 в 1 клетке).

3. Половое размножение. Могут осуществлять в гаплоидной и диплоидной фазе. Большинство дрожжей диплоидны. Для каждых существует тип развития.