Бактериальные антигены:
группоспецифические (встречаются у разных видов одного рода или семейства)
видоспецифические (у различных представителей одного вида);
типоспецифические (определяют серологические варианты - серовары, антигеновары внутри одного вида).
В зависимости от локализации в бактериальной клетке различают К-, Н-, О-антигены (обозначают буквами латинского алфавита).
О-АГ - липополисахарид клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Состоит из полисахаридной цепочки (собственно О-Аг) и липида А.
Полисахарид термостабилен (выдерживает кипячение в течение 1-2 часов), химически устойчив (выдерживает обработку формалином и этанолом). Чистый О-АГ слабо иммуногенен. Проявляет вариабельность структуры и по нему различают много серовариантов бактерий одного вида. Например, для каждой группы сальмонелл характерно наличие определенного О-АГ (полисахарида) - у группы А
Это фактор 2, у группы В - фактор 4 и т.д. У R-форм бактерий О-АГ теряет боковые цепи
полисахарида и типоспецифичность.
Липид А - содержит глюкозамин и жирные кислоты. Он обладает сильной адьювантной, неспецифической иммуностимулирующей активностью и токсичностью. В целом ЛПС является эндотоксином. Уже в небольших дозах вызывает лихорадку из-за активации макрофагов и выделения ими ИЛ1, ФНО и других цитокинов, дегрануляцию гранулоцитов, агрегацию тромбоцитов. Он может связываться с любыми клетками организма, но особенно с макрофагами. В больших дозах угнетает фагоцитоз, вызывает токсикоз, нарушение функции сердечнососудистой системы, тромбозы, эндотоксический шок. ЛПС некоторых бактерий входит в состав иммуностимуляторов (продигиозан,
пирогенал). Пептидогликаны клеточной стенки бактерий обладают сильным адьювантным эффектом на клетки СИ.
Н-АГ входит в состав бактериальных жгутиков, основа его - белок флагеллин. Термолабилен.
К-АГ - это гетерогенная группа поверхностных, капсульных АГ бактерий.
Они находится в капсуле. Содержат главным образом кислые полисахариды, в состав которых входят галактуроновая, глюкуроновая и идуроновая кислоты. Встречаются вариации в строении этих антигенов, на основании чего, например, различают 75 типов (серотипов) пневмококков, 80 типов клебсиелл и т.д. Капсульные антигены используются для приготовления вакцин менингококков, пневмококков, клебсиелл. Однако, введение высоких доз полисахаридных антигенов может вызвать толерантность.
Антигенами бактерий являются также их токсины, рибосомы и ферменты.
Некоторые микроорганизмы содержат перекрестнореагируюшие - антигенные детерминанты встречающиеся у микроорганизмов и человека/животных.
У микробов различных видов и у человека встречаются общие, сходные по строению АГ. Эти явления называются антигенной мимикрией. Часто перекрестнореагируюшие антигены отражают филогенетическую общность данных представителей, иногда являются результатом случайного сходства конформации и зарядов - молекул АГ.
Например, АГ Форсмана содержится в эритроцитах барача, сальмонеллах и у морских свинок.
Гемолитические стрептококки группы А содержат перекрестно реагирующие АГ (в частности, М-протеин), общие с АГ эндокарда и клубочков почек человека. Такие бактериальные антигены вызывают образование антител, перекрестно реагирующих с клетками человека, что приводит к развитию ревматизма и постстрептококкового гломерулонефрита.
У возбудителя сифилиса есть фосфолипиды, сходные по строению с теми, которые имеются в сердце животных и человека. Поэтому кардиолипиновый антиген сердца животных используется для выявления антител к спирохете у больных людей (реакция Вассермана).
Антигены – это высокомолекулярные соединения. При попадании в организм вызывают иммунную реакцию и взаимодействуют с продуктами этой реакции: антителами и активированными лимфоцитами.
Классификация антигенов.
1. По происхождению:
1) естественные (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, бактериальные экзо– и эндотоксины, антигены клеток тканей и крови);
2) искусственные (динитрофенилированные белки и углеводы);
3) синтетические (синтезированные полиаминокислоты, полипептиды).
2. По химической природе:
1) белки (гормоны, ферменты и др.);
2) углеводы (декстран);
3) нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК);
4) конъюгированные антигены (динитрофенилированные белки);
5) полипептиды (полимеры a-аминокислот, кополимеры глутамина и аланина);
6) липиды (холестерин, лецитин, которые могут выступать в роли гаптена, но, соединившись с белками сыворотки крови, они приобретают антигенные свойства).
3. По генетическому отношению:
1) аутоантигены (происходят из тканей собственного организма);
2) изоантигены (происходят от генетически идентичного донора);
3) аллоантигены (происходят от неродственного донора того же вида);
4) ксеноантигены (происходят от донора другого вида).
4. По характеру иммунного ответа:
1) тимусзависимые антигены (иммунный ответ зависит от активного участия Т-лимфоцитов);
2) тимуснезависимые антигены (запускают иммунный ответ и синтез антител В-клетками без Т-лимфоцитов).
Выделяют также:
1) внешние антигены; попадают в организм извне. Это микроорганизмы, трансплантированные клетки и чужеродные частицы, которые могут попадать в организм алиментарным, ингаляционным или парентеральным путем;
2) внутренние антигены; возникают из поврежденных молекул организма, которые распознаются как чужие;
3) скрытые антигены – определенные антигены (например, нервная ткань, белки хрусталика и сперматозоиды); анатомически отделены от иммунной системы гистогематическими барьерами в процессе эмбриогенеза; толерантность к этим молекулам не возникает; их попадание в кровоток может приводить к иммунному ответу.
Иммунологическая реактивность против измененных или скрытых собственных антигенов возникает при некоторых аутоиммунных заболеваниях.
Свойства антигенов:
1) антигенность – способность вызывать образование антител;
2) иммуногенность – способность создавать иммунитет;
3) специфичность – антигенные особенности, благодаря наличию которых антигены отличаются друг от друга.
Гаптены – низкомолекулярные вещества, которые в обычных условиях не вызывают иммунной реакции, но при связывании с высокомолекулярными молекулами приобретают иммуногенность. К гаптенам относятся лекарственные препараты и большинство химических веществ. Они способны вызывать иммунный ответ после связывания с белками организма.
Антигены или гаптены, которые при повторном попадании в организм вызывают аллергическую реакцию, называются аллергенами.
2. Антигены микроорганизмов
Инфекционные антигены – это антигены бактерий, вирусов, грибов, простейших.
Существуют следующие разновидности бактериальных антигенов:
1) группоспецифические (встречаются у разных видов одного рода или семейства);
2) видоспецифические (встречаются у различных представителей одного вида);
3) типоспецифические (определяют серологические варианты – серовары, антигеновары – внутри одного вида).
В зависимости от локализации в бактериальной клетке различают:
1) О – АГ – полисахарид; входит в состав клеточной стенки бактерий. Определяет антигенную специфичность липополисахарида клеточной стенки; по нему различают сероварианты бактерий одного вида. О – АГ слабо иммуногенен. Он термостабилен (выдерживает кипячение в течение 1–2 ч), химически устойчив (выдерживает обработку формалином и этанолом);
2) липид А – гетеродимер; содержит глюкозамин и жирные кислоты. Он обладает сильной адьювантной, неспецифической иммуностимулирующей активностью и токсичностью;
3) Н – АГ; входит в состав бактериальных жгутиков, основа его – белок флагеллин. Термолабилен;
4) К – АГ – гетерогенная группа поверхностных, капсульных антигенов бактерий. Они находятся в капсуле и связаны с поверхностным слоем липополисахарида клеточной стенки;
5) токсины, нуклеопротеины, рибосомы и ферменты бактерий.
Антигены вирусов:
1) суперкапсидные антигены – поверхностные оболочечные;
2) белковые и гликопротеидные антигены;
3) капсидные – оболочечные;
4) нуклеопротеидные (сердцевинные) антигены.
Все вирусные антигены Т-зависимые.
Протективные антигены – это совокупность антигенных детерминант (эпитопов), которые вызывают наиболее сильный иммунный ответ, что предохраняет организм от повторного инфицирования данным возбудителем.
Пути проникновения инфекционных антигенов в организм:
1) через поврежденную и иногда неповрежденную кожу;
2) через слизистые оболочки носа, рта, ЖКТ, мочеполовых путей.
Гетероантигены – общие для представителей разных видов антигенные комплексы или общие антигенные детерминанты на различающихся по другим свойствам комплексах. За счет гетероантигенов могут возникать перекрестные иммунологические реакции.
У микробов различных видов и у человека встречаются общие, сходные по строению антигены. Эти явления называются антигенной мимикрией.
Суперантигены – это особая группа антигенов, которые в очень малых дозах вызывают поликлональную активацию и пролиферацию большого числа Т-лимфоцитов. Суперантигенами являются бактериальные энтеротоксины, стафилококковые, холерные токсины, некоторые вирусы (ротавирусы).
Выделение микроорганизмов из различных материалов и получение их культур широко используется в лабораторной практике для микробиологической диагностики инфекционных заболеваний, в научно-исследовательской работе и в микробиологическом производстве вакцин, антибиотиков и других биологически активных продуктов микробной жизнедеятельности.
Условия культивирования также зависят от свойств соответствующих микроорганизмов. Большинство патогенных микробов выращивают на питательных средах при температуре 37°С в течение 12 сут. Однако некоторые из них нуждаются в более длительных сроках. Например, бактерии коклюша- в 2-3 сутках, а микобактерии туберкулеза - в 3-4 неделях.
Для стимуляции процессов роста и размножения аэробных микробов, а также сокращения сроков их выращивания используют метод глубинного культивирования, который заключается в непрерывном аэрировании и перемешивании питательной среды. Глубинный метод нашел широкое применение в биотехнологии.
Для культивирования анаэробов применяют особые методы, сущность которых заключается в удалении воздуха или замены его инертными газами в герметизированных термостатах - анаэростатах. Анаэробов выращивают на питательных средах, содержащих редуцирующие вещества (глюкозу, муравьинокислый натрий и др.), уменьшающие окислительно-восстановительные потенциал.
В диагностической практике особое значение имеют чистые культуры бактерий, которые выделяются из исследуемого материала, взятого у больного или объектов окружающей среды. С этой целью используют искусственные питательные среды, которые подразделяют на основные, дифференциально-диагностические и элективные самого разнообразного состава. Выбор питательной среды для выделения чистой культуры имеет существенное значение при бактериологической диагностике.
В большинстве случаев используют твердые питательные среды, предварительно разлитые в чашки Петри. На поверхность среды петлей помещают исследуемый материал и растирают шпателем, чтобы получить изолированные колонии, выросшие из одной клетки. Пересев изолированной колонии на скошенную агаровую среду в пробирку приводит к получению чистой культуры.
Для идентификации, т.е. определения родовой и видовой принадлежности выделенной культуры, чаще всего изучают фенотипические признаки:
а) морфологию бактериальных клеток в окрашенных мазках, либо нативных препаратах;
б) биохимические признаки культуры по ее способности ферментировать углеводы (глюкоза, лактоза, сахароза, мальтоза, маннит и др.), образовывать индол, аммиак и сероводород, являющиеся продуктами протеолитической активности бактерий.
Для более полного анализа применяют газово-жидкостную хромографию и другие методы.
Наряду с бактериологическими методами для идентификации чистых культур широко используют иммунологические методы исследования, которые направлены на изучение антигенной структуры выделенной культуры. С этой целью используют серологические реакции: агглютанации, преципитации иммунофлюоресценции, связывания комплемента, иммуноферментный, радиоиммунный методы и др.
Методы выделения чистой культуры
Для того, чтобы выделить чистую культуру микроорганизмов, следует отделить многочисленные бактерии, которые находятся в материале, одна от другой. Это можно достичь с помощью методов, которые основаны на двух принципах – механическом и биологическом разобщении бактерий.
Методы выделения чистых культур, основанные на механическом принципе
Метод последовательных разведений , предложен Л. Пастером, был одним из самых первых, который применялся для механического разъединения микроорганизмов. Он заключается в проведении последовательных серийных разведений материала, который содержит микробов, в стерильной жидкой питательной среде. Этот прием достаточно кропотлив и несовершенный в работе, поскольку не позволяет контролировать количество микробных клеток, которые попадают в пробирки при разведениях.
Этого недостатка не имеет метод Коха (метод пластинчатых разведений ). Р. Кох использовал плотные питательные среды на основе желатина или агар-агара. Материал с ассоциациями разных видов бактерий разводился в нескольких пробирках с растопленным и немного охлажденным желатином, содержание которого позже выливалось на стерильные стеклянные пластины. После застудневания среды оно культивировалось при оптимальной температуре. В его толще образовывались изолированные колонии микроорганизмов, которые легко могут быть перенесены на свежую питательную среду с помощью платиновой петли для получения чистой культуры бактерий.
Метод Дригальского является более совершенным методом, который широко распространен в повседневной микробиологической практике. Сначала на поверхность среды в чашке Петри пипеткой или петлей наносят исследуемый материал. С помощью металлического или стеклянного шпателя его тщательным образом втирают в среду. Чашку во время посева держат открытой и осторожно вращают, чтобы равномерно распределить материал. Не стерилизуя шпателя, проводят им занял материалу в другой чашке Петри, при потребности – в третьей. Только после этого шпатель окунают в дезинфицирующий раствор или прожаривают в пламени горелки. На поверхности среды в первой чашке наблюдаем, как правило, сплошной рост бактерий, во второй – густой рост, а в третьей – рост в виде изолированных колоний.
Колонии по методу Дригальского
Метод штриховых посевов сегодня используется в микробиологических лабораториях чаще всего. Материал, который содержит микроорганизмы, набирают бактериологической петлей и наносят на поверхность питательной среды возле края чашки. Снимают избыток материала и проводят занял его параллельными штрихами от края к краю чашки. Спустя сутки инкубации посевов при оптимальной температуре на поверхности чашки вырастают изолированные колонии микробов.
Метод штрихов
Для получения изолированных колоний можно использовать занял тампоном, которым проводили забор исследуемого материала. Несколько преоткрывают чашку Петри с питательной средой, вносят туда тампон и осторожными движениями втирают материал в поверхность чашки, возвращая постепенно тампон и чашку.
Таким образом, существенное преимущество методов пластинчатых разведений Коха, Дригальского и штриховых посевов заключается в том, что они создают изолированные колонии микроорганизмов, которые при инокуляции на другую питательную среду превращаются в чистую культуру
Методы выделения чистых культур, основанные на биологическом принципе
Биологический принцип разъединения бактерий предусматривает целеустремленный поиск методов, которые учитывают многочисленные особенности микробных клеток. Среди самых распространенных методов можно выделить следующие:
1. По типу дыхания. Все микроорганизмы по типу дыхания разделяются на две основных группы: аэробные (Corynebacterium diphtheriae , Vibrio сholerae и тому подобное) и анаэробные (Clostridium tetani , Clostridium botulinum , Clostridium perfringens и др.) . Если материал, из которого следует выделить анаэробные возбудители, предварительно прогреть, а затем культивировать в анаэробных условиях, то вырастут именно эти бактерии.
2. По спорообразованию . Известно, что некоторые микробы (бациллы и клостридии) способны к споротворення. Среди них Clostridium tetani , Clostridium botulinum , Clostridium perfringens , Bacillus subtilis , Bacillus cereus . Споры стойкие к действию факторов внешней среды. Следовательно, исследуемый материал может быть подданный действию термического фактора, а затем инокулятивно перенесен в питательную среду. Спустя некоторое время на нем вырастут именно те бактерии, которые способны к споротворению.
3. Стойкость микробов к действию кислот и щелочей. Некоторые микробы (Mycobacterium tuberculosis , Mycobacterium bovis ) в результате особенностей их химического строения стойки к действию кислот. Вот почему материал, который их содержит, например, мокрота при туберкулезе предварительно обрабатывают равным объемом 10 % раствора серной кислоты, а затем высевают на питательные среды. Посторонняя флора погибает, а микобактерии в результате их резистентности к кислотам, вырастают.
Холерный вибрион (Vibrio сholerae ) , напротив, является галофильной бактерией, потому для создания оптимальных условий роста его высевают на среды, которые содержат щелочь (1 % щелочная пептонная вода). Уже через 4-6 часов на поверхности среды появляются характерные признаки роста в виде нежной голубоватой пленки.
4. Подвижность бактерий. Некоторые микробы (Proteus vulgaris ) имеют тенденцию к ползучему росту и способны быстро распространяться по поверхности кое-что влажной среды. Для выделения таких возбудителей их засевают в капельку конденсационной жидкости, которая образуется при охлаждении столбика скошенного агара. Через 16-18 год они распространяются на всю поверхность среды. Если взять материал из верхней части агара, будем иметь чистую культуру возбудителей.
5. Чувствительность микробов к действию химических веществ, антибиотиков и других противомикробных средств. В результате особенностей метаболизма бактерий они могут иметь разную чувствительность к некоторым химическим факторам. Известно, что стафилококки, аэробные бациллы, которые образуют споры, стойкие к действию 7,5–10 % хлорида натрия. Вот почему для выделения этих возбудителей используют элективные питательные среды (желточно-солевой агар, манит-солевой агар), которые содержат именно это вещество. Другие бактерии при такой концентрации хлорида натрия практически не растут.
6. Введение некоторых антибиотиков (нистатин) используется для торможения роста грибов в материале, который сильно контаминированный ими. И, напротив, добавление антибиотика пеницилина к среде способствует росту бактериальной флоры, если нужно выделить грибы. Добавление фуразолидона в определенных концентрациях к питательной среде создает селективные условия для роста коринебактерий и микрококков.
7. Способность микроорганизмов проникать через неповрежденные кожные покровы. Некоторые патогенные бактерии (Yersinia pestis ) в результате наличия большого количества ферментов агрессии способны проникать через неповрежденную кожу. Для этого шерсть на теле лабораторного животного бреют и в этот участок втирают исследуемый материал, который содержит возбудителя и большое количество сторонней микрофлоры. Через некоторое время животное забивают, а из крови или внутренних органов выделяют микробов.
8. Чувствительность лабораторных животных к возбудителям инфекционных заболеваний. Отдельные животные проявляют высокую чувствительность к разным микроорганизмам.
Например, при любом способе введения Streptococcus pneumoniae белым мышам у них развивается генерализованная пневмококковая инфекция. Аналогичная картина наблюдается при заражении гвинейских свинок возбудителями туберкулеза (Mycobacterium tuberculosis ) .
В повседневной практике бактериологи пользуются такими понятиями как штамм и чистая культура микроорганизмов. Под штаммом понимают микробов одного вида, которые выделены из разных источников, или из одного и того же источника, но в разное время. Чистая культура бактерий – это микроорганизмы одного вида, потомки одной микробной клетки, которые выросли на (в) питательной среде.
Выделение чистой культуры аеробних микроорганизмов состоит из ряда этапов.
В первый день (1 этап исследования) в стерильную посуду (пробирка, колба, флакон) забирают патологический материал. Его изучают - внешний вид, консистенция, цвет, запах и другие признаки, готовят мазок, красят и исследуют под микроскопом. В некоторых случаях (острая гонорея, чума) на этом этапе можно поставить предварительный диагноз, а кроме того, подобрать среды, на которые будет засеваться материал. Затем проводят бактериологической петлей (применяется чаще всего), с помощью шпателя - методом Дригальского, ватно-марлевым тампоном. Чашки закрывают, переворачивают вверх дном, подписывают специальным карандашом и ставят в термостат при оптимальной температуре (37 °С) на 18-48 часов. Цель этапа – получить изолированные колонии микроорганизмов.
Однако, порой с целью нагромождения материала его засевают на жидкие питательные среды.
На второй день (2 этап исследования) на поверхности плотной питательной среды микроорганизмы образуют сплошной, густой рост или изолированные колонии. Колония – это видимые невооруженным глазом скопления бактерий на поверхности или в толще питательной среды. Как правило, каждая колония формируется из потомков одной микробной клетки (клоны), потому их состав достаточно однороден. Особенности роста бактерий на питательных средах являются проявлением их культуральных свойств.
Чашки тщательным образом рассматривают и изучают изолированные колонии, которые выросли на поверхности агара. Обращают внимание на величину, форму, цвет, характер краев и поверхности колоний, их консистенцию и другие признаки. Если требуется, исследуют колонии под лупой, малым или большим увеличением микроскопа. Структуру колоний исследуют в проходном свете при малом увеличении микроскопа. Они могут быть гиалиновые, зернистые, нитевидные или волокнистые, которые характеризуются наличием переплетенных нитей в толще колоний.
Характеристика колоний – важна составная часть работы бактериолога и лаборанта, ведь микроорганизмам каждого вида присущи свои особенные колонии.
На третий день (3 этап исследования) изучают характер роста чистой культуры микроорганизмов и проводят ее идентификацию.
Сначала обращают внимание на особенности роста микроорганизмов на среде и делают мазок, крася его методом Грама, с целью проверки культуры на чистоту. Если под микроскопом наблюдают бактерии однотипной морфологии, размером и тинкториальных (способность краситься) свойств, делают вывод, что культура чиста. В некоторых случаях уже по внешнему виду и особенностям их роста можно сделать вывод о виде выделенных возбудителей. Определение вида бактерий по их морфологическим признакам называется морфологической идентификацией. Определения вида возбудителей по их культуральным признакам называют культуральной идентификацией.
Однако этих исследований недостаточно, чтобы сделать окончательный вывод о виде выделенных микробов. Потому изучают биохимические свойства бактерий. Они достаточно разнообразны.
Идентификация бактерий.
Определение вида возбудителя по его биохимическим свойствам называется биохимической идентификацией .
С целью установления видовой принадлежности бактерий часто изучают их антигенное строение, то есть проводят идентификацию по антигенным свойствам. Каждый микроорганизм имеет в своем составе разные антигенные субстанции. В частности, представители семьи энтеробактерий (ешерихии, сальмонели, шигелы) содержат оболочковый О-антиген, жгутиковий Н-антиген и капсульный К-антиген. Они неоднородны своим химическим составом, потому существуют во многих вариантах. Их можно определить с помощью специфических аглютинуючих сывороток. Такое определение вида бактерий носит название серологической идентификации .
Иногда идентификацию бактерий проводят, заражая лабораторных животных чистой культурой и наблюдая за теми изменениями, которые вызывают возбудители в организме (туберкулез, ботулизм, столбняк, сальмонеллез и тому подобное). Такой метод называют идентификацией по биологическими свойствам . Как объекты – чаще всего используют гвинейских свинок, белых мышей и крыс.
ПРИЛОЖЕНИЯ
(таблицы и схемы)
Физиология бактерий
Схема 1. Физиология бактерий.
размножение
выращивание на питательных средах
Таблица 1. Общая таблица физиологии бактерий.
|
Характеристика |
||
|
Процесс приобретения энергии и веществ. |
||
|
Совокупность биохимических процессов, в результате которых освобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности микробных клеток. |
||
|
Координированное воспроизведение всех клеточных компонентов и структур, ведущее в конечном итоге к увеличению массы клетки |
||
|
Размножение |
Увеличение числа клеток в популяции |
|
|
Выращивание на питательных средах. |
В лабораторных условиях микроорганизмы выращивают на питательных средах, которые должны быть стерильными, прозрачными, влажными, содержать определенные питательные вещества (белки, углеводы, витамины, микроэлементы и др.), обладать определенной буферностью, иметь соответствующий рН, окислительно-восстановительный потенциал. |
Таблица 1.1 Химический состав и физиологические функции элементов.
|
Элемент состава |
Характеристика и роль в физиологии клетки. |
||
|
Основной компонент бактериальной клетки, составляющий около 80 % ее массы. Она находится в свободном или связанном состоянии со структурными элементами клетки. В спорах количество воды уменьшается до 18.20 %. Вода является растворителем для многих веществ, а также выполняет механическую роль в обеспечении тургора. При плазмолизе – потере клеткой воды в гипертоническом растворе – происходит отслоение протоплазмы от клеточной оболочки. Удаление воды из клетки, высушивание приостанавливают процессы метаболизма. Большинство микроорганизмов хорошо переносят высушивание. При недостатке воды микроорганизмы не размножаются. Высушивание в вакууме из замороженного состояния (лиофилизация) прекращает размножение и способствует длительному сохранению микробных особей. |
|||
|
40 – 80 % сухой массы. Определяют важнейшие биологические свойства бактерий и состоят обычно из сочетаний 20 аминокислот. В состав бактерий входит диаминопимелиновая кислота (ДАП), отсутствующая в клетках человека и животных. Бактерии содержат более 2000 различных белков, находящихся в структурных компонентах и участвующих в процессах метаболизма. Большая часть белков обладает ферментативной активностью. Белки бактериальной клетки обусловливают антигенность и иммуногенность, вирулентность, видовую принадлежность бактерий. |
|||
|
Элемент состава |
Характеристика и роль в физиологии клетки. |
||
|
Нуклеиновые кислоты |
Выполняют функции, аналогичные нуклеиновым кислотам эукариотических клеток: молекула ДНК в виде хромосомы отвечает за наследственность, рибонуклеиновые кислоты (информационная, или матричная, транспортная и рибосомная) участвуют в биосинтезе белка. |
||
|
Углеводы |
Представлены простыми веществами (моно- и дисахариды) и комплексными соединениями. Полисахариды часто входят в состав капсул. Некоторые внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.) являются запасными питательными веществами. |
||
|
Входят в состав цитоплазматической мембраны и ее производных, а также клеточной стенки бактерий, например наружной мембраны, где, кроме биомолекулярного слоя липидов, имеется ЛПС. Липиды могут выполнять в цитоплазме роль запасных питательных веществ. Липиды бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицеридами. Наибольшее количество липидов (до 40 %) содержат микобактерии туберкулеза. |
|||
|
Минеральные вещества |
Обнаруживают в золе после сжигания клеток. В большом количестве выявляются фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний, а также микроэлементы (цинк, медь, кобальт, барий, марганец и др.).Они участвуют в регуляции осмотического давления, рН среды, окислительно-восстановительного потенциала, активируют ферменты, входят в состав ферментов, витаминов и структурных компонентов микробной клетки. |
||
Таблица 1.2. Азотистые основания.
Таблица 1.2.1 Ферменты
|
Характеристика |
|||
|
Определение |
Специфичные и эффективные белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. |
||
|
Ферменты снижают энергию активации, обеспечивая протекание таких химических реакций, которые без них могли бы проходить только при высокой температуре, избыточном давлении и при других нефизиологических условиях, неприемлемых для живой клетки. |
|||
|
Ферменты увеличивают скорость реакции примерно на 10 порядков, что сокращает полупериод какой-либо реакции с 300 лет до одной секунды. |
|||
|
Ферменты «узнают» субстрат по пространственному расположению его молекулы и распределению зарядов в ней. За связывание с субстратом отвечает определённый участок молекулы ферментативного белка - его каталитический центр. При этом образуется промежуточный фермент-субстратный комплекс, который затем распадается с образованием продукта реакции и свободного фермента. |
|||
|
Разновидности |
Регуляторные (аллостерические) ферменты воспринимают различные метаболические сигналы и в соответствии с ними изменяют свою каталитическую активность. |
Эффекторные ферменты - ферменты катализирующие некоторые реакции (подробнее табл. 1.2.2.) |
|
|
Функциональная активность |
Функциональная активность ферментов и скорость ферментативных реакций зависят от условий, в которых находится данный микроорганизм и прежде всего от температуры среды и ее pH. Для многих патогенных микроорганизмов оптимальными являются температура 37°С и pH 7,2-7,4. |
||
КЛАССЫ ФЕРМЕНТОВ:
микроорганизмы синтезируют различные ферменты, принадлежащие ко всем шести известным классам.
Таблица 1.2.2. Классы эффекторных ферментов
|
Класс фермента |
Катализирует: |
|
|
Оксидоредуктазы |
Перенос электронов |
|
|
Трансферазы |
Перенос различных химических групп |
|
|
Гидролазы |
Перенос функциональных групп на молекулу воды |
|
|
Присоединение групп по двойным связям и обратные реакции |
||
|
Изомеразы |
Перенос групп внутри молекулы с образованием изомерных форм |
|
|
Образование связей С-С, C-S, С-О, C-N за счёт реакций конденсации, сопряжённых с распадом аденозинтрифосфата (АТФ) |
Таблица 1.2.3. Типы ферментов по образованию в бактериальной клетке
|
Характеристика |
Примечания |
||
|
Иидуцибельные (адаптивные) ферменты «индукция субстратом» |
Ферменты, концентрация которых в клетке резко возрастает в ответ на появление в среде субстрата-индуктора. Синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента | ||
|
Репрессибельные ферменты |
Синтез этих ферментов подавляется в результате избыточного накопления продукта реакции, катализируемой данным ферментом. |
Примером репрессии ферментов может служить синтез триптофана, который образуется из антраниловой кислоты с участием антранилатсинтетазы. |
|
|
Конститутивные ферменты |
Ферменты, синтезируемые вне зависимости от условий среды |
Ферменты гликолиза |
|
|
Мультиферментные комплексы |
Внутриклеточные ферменты, объединенные структурно и функционально |
Ферменты дыхательной цепи, локализованные на цитоплазматической мембране. |
Таблица 1.2.4. Специфические ферменты
|
Ферменты |
Идентификация бактерий |
|
|
Супероксид дисмутаза и каталаза |
Все аэробы или факультативные анаэробы обладают супероксид дисмутазой и каталазой - ферментами, защищающими клетку от токсичных продуктов кислородного метаболизма. Практически все облигатные анаэробы не синтезируют эти ферменты. Только одна группа аэробных бактерий - молочнокислые бактерии каталазонегативны. |
|
|
Пероксидаза |
Молочнокислые бактерии аккумулируют пероксидазу - фермент, катализирующий окисление органических соединений под действием Н202 (восстанавливается до воды). |
|
|
Аргининдигидролаза |
Диагностический признак, позволяющий различить сапрофитические виды Pseudomonas от фитопатогенных. |
|
|
Среди пяти основных групп семейства Enterobacteriaceae только две - Escherichiae и Erwiniae- не синтезируют уреазу. |
Таблица 1.2.5. Применение ферментов бактерий в промышленной микробиологии.
|
Ферменты |
Применение |
|
|
Амилаза, целлюлаза, протеаза, липаза |
Для улучшения пищеварения применяют готовые препараты ферментов, облегчающих соответственно гидролиз крахмала, целлюлозы, белка и липидов |
|
|
Инвертаза дрожжей |
При изготовлении сладостей для предупреждения кристаллизации сахарозы |
|
|
Пектиназа |
Используют для осветления фруктовых соков |
|
|
Коллагеназа клостридий и стрептокиназа стрептококков |
Гидролизуют белки, способствуют заживлению ран и ожогов |
|
|
Литические ферменты бактерий |
Секретируются в окружающую среду, действуют на клеточные стенки патогенных микроорганизмов и служат эффективным средством в борьбе с последними, даже если они обладают множественной устойчивостью к антибиотикам |
|
|
Рибонуклеазы, дезоксирибонуклеазы, полимеразы, ДНК-лигазы и прочие ферменты, направленно модифицирующие нуклеиновые кислоты |
Используют в качестве инструментария в биоорганической химии, генной инженерии и генотерапии |
Таблица 1.2.6. Классификация ферментов по локализации.
|
Локализация | |||
|
Эндоферменты |
В цитоплазме В цитоплазматической мембране В периплазматическом пространстве |
Функционируют только внутри клетки. Они катализируют реакции биосинтеза и энергетического обмена. |
|
|
Экзоферменты |
Выделяются в окружающую среду. |
Выделяются клеткой в среду и катализируют реакции гидролиза сложных органических соединений на более простые, доступные для ассимиляции микробной клеткой. К ним относятся гидролитические ферменты, играющие исключительно важную роль в питании микроорганизмов. |
Таблица 1.2.7. Ферменты патогенных микробов (ферменты агрессии)
|
Ферменты | |||
|
Лецитовителлаза Лецитиназа |
Разрушает клеточные мембраны |
Посев исследуемого материала на питательную среду ЖСА Результат: зона помутнения вокруг колоний на ЖСА. |
|
|
Гемолизин |
Разрушает эритроциты |
Посев исследуемого материала на питательную среду кровяной агар. Результат: полная зона гемолиза вокруг колоний на кровяном агаре. |
|
|
Коагулаза-положительные культуры |
Вызывает свертывание плазмы крови |
Посев исследуемого материала на стерильную цитратную плазму крови. Результат: свёртывание плазмы |
|
|
Коагулаза-отрицательные культуры |
Выработка маннита |
Посев на питательную среду маннит в анаэробных условиях. Результат: Появление окрашенных колоний (в цвет индикатора) |
|
|
Ферменты |
Образование некоторых ферментов в лабораторных условиях |
||
|
Гиалуронидаза |
Гидролизирует гиалуроновую кислоту - основной компонент соединительной ткани |
Посев исследуемого материала на питательную среду, содержащую гиалуроновую кислоту. Результат: в пробирках, где содержится гиалуронидаза, не происходит образования сгустка. |
|
|
Нейраминидаза |
Отщепляет от различных гликопротеидов, гликолипидов, полисахаридов сиаловую (нейраминовую) кислоту, повышая проницаемость различных тканей. |
Выявление: реакция определения антител к нейраминидазе (РИНА) и другие (иммунодиффузные, иммуноэнзимные и радиоиммунные методы). |
Таблица 1.2.8. Классификация ферментов по биохимическим свойствам.
|
Ферменты |
Обнаружение |
||
|
Сахаролитические |
Расщепление сахаров |
Дифференциально - диагностические среды такие, как среды Гисса, среда Олькеницкого, среда Эндо, среда Левина, среда Плоскирева. |
|
|
Протеолитические |
Расщепление белков |
Микробы засевают уколом в столбик желатина и после 3-5 суток инкубирования при комнатной температуре отмечают характер разжижения желатина. Протеолитическую активность определяют также по образованию продуктов разложения белка: индола, сероводорода, аммиака. Для их определения микроорганизмы засевают в мясо-пептонный бульон. |
|
|
Ферменты, выявляемые по конечным продуктам |
Образование щелочей Образование кислот Образование сероводорода Образование аммиака и др. |
Для отличия одних видов бактерий от других на основании их ферментативной активности применяются дифференциально-диагностические среды |
Схема 1.2.8. Ферментный состав.
ФЕРМЕНТНЫЙ СОСТАВ ЛЮБОГО МИКРООРГАНИЗМА:
Определяется его геномом
Является стабильным признаком
Широко применяется для их идентификации
Определение сахаролитических, протеолитических и других свойств.
Таблица 1.3. Пигменты
|
Пигменты |
Синтез микроорганизмом |
|
|
Жирорастворимые каротиноидные пигменты красного, оранжевого или желтого цветов |
Образуют сарцины, микобактерии туберкулеза, некоторые актиномицеты. Эти пигменты предохраняют их от действия УФ-лучей. |
|
|
Пигменты черного или коричневого цвета - меланины |
Синтезируются облигатными анаэробами Bacteroides niger и др. не растворимы в воде и даже сильных кислотах |
|
|
Пирроловый пигмент ярко-красного цвета, – продигиозин |
Образуется некоторыми серациями |
|
|
Водорастворимый фенозиновый пигмент, – пиоцианин. |
Продуцируются синегнойными бактериями (Pseudomonas aeruginosa). При этом питательная среда с нейтральным или щелочным pH окрашивается в сине-зеленый цвет. |
Таблица 1.4. Светящиеся и ароматообразующие микроорганизмы
|
Условие и характеристика |
||
|
Свечение (люминесценция) |
Бактерии вызывают свечение тех субстратов, например чешуи рыб, высших грибов, гниющих деревьев, пищевых продуктов, на поверхности которых размножаются. Большинство светящихся бактерий относятся к галофильным видам, способным размножаться при повышенных концентрациях солей. Они обитают в морях и океанах и редко - в пресных водоемах. Все светящиеся бактерии являются аэробами. Механизм свечения связан с освобождением энергии в процессе биологического окисления субстрата. |
|
|
Ароматообразование |
Некоторые микроорганизмы вырабатывают летучие ароматические вещества, например уксусно-этиловый и уксусно-амиловый эфиры, которые придают аромат вину, пиву, молочнокислым и другим пищевым продуктам, вследствие чего применяются в их производстве. |
Таблица 2.1.1.Метаболизм
|
Определение |
|||
|
Метаболизм |
Биохимические процессы, протекающие в клетке, объединены одним словом - метаболизм (греч. metabole - превращение). Этот термин равнозначен понятию «обмен веществ и энергии». Различают две стороны метаболизма: анаболизм и катаболизм. |
||
|
Анаболизм - совокупность биохимических реакций, осуществляющих синтез компонентов клетки, т. е. та сторона обмена веществ, которую называют конструктивным обменом. |
Катаболизм - совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, необходимой, в частности, и для реакций конструктивного обмена. Поэтому катаболизм определяют еще как энергетический обмен клетки. |
||
|
Амфиболизм |
Промежуточный обмен веществ, превращающий низкомолекулярные фрагменты питательных веществ в ряд органических кислот и фосфорных эфиров, называют |
||
Схема 2.1.1. Метаболизм
МЕТАБОЛИЗМ –
совокупность двух противоположных, но взаимодействующих процессов: катаболизма и анаболизма
Анаболизм = ассимиляция = пластический метаболизм = конструктивный метаболизм
Катаболизм = диссимиляция = энергетический метаболизм = распад = обеспечение клетки энергией
Синтез (компонентов клетки)
Ферментативные катаболические реакции, в результате которых происходит выделение энергии , которая аккумулировалась в молекулах АТФ.
Биосинтез мономеров:
аминокислот нуклеотидов моносахаридов жирных кислот
Биосинтез полимеров:
белков нуклеиновых кислот полисахаридов липидов
В результате ферментативных анаболических реакция, энергия, выделенная в процессе катаболизма расходуется на синтез макромолекул органических соединений, из которых потом монтируются биополимеры – составные части микробной клетки.
Энергия расходуется на синтез компонентов клетки
Таблица 2.1.3. Обмен веществ и превращение энергии клетки.
|
Обмен веществ |
Характеристика |
Примечания |
|
|
Обмен веществ обеспечивает присущее живому организму как системе динамическое равновесие, при котором взаимно уравновешиваются синтез и разрушение, размножение и гибель. |
Обмен веществ - главный признак жизни |
||
|
Пластический обмен Синтез белков, жиров, углеводов. |
Это совокупность реакций биологического синтеза. |
Из веществ поступающих в клетку извне, образуются молекулы, подобные соединениям клетки, то есть происходит ассимиляция. |
|
|
Энергетический обмен |
Процесс противоположный синтезу. Это совокупность реакций расщепления. |
При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакции биосинтеза, то есть происходит диссимиляция. При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов. |
Таблица 2.1.2. Различие в метаболизме для идентификации.
Таблица 2.2 Анаболизм (конструктивный метаболизм)
Схема 2.2.2. Биосинтез аминокислот у прокариот.
Схема 2.2.1. Биосинтез углеводов у микроорганизмов.
Рисунок 2.2.3. Биосинтез липидов
Таблица 2.2.4. Этапы энергетического обмена – Катаболизм.
|
Этапы |
Характеристика |
Примечание |
|
|
Подготовительный |
Молекулы дисахаридов и полисахаридов, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты. Крупные молекулы нуклеиновых кислот на нуклеотиды. |
На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты. |
|
|
Бескислородный или неполный или анаэробный или брожение или диссимиляция. |
Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению. Например: глюкоза распадается на две молекулы молочной кислоты и две молекулы АТФ. |
В реакциях расщепления глюкозы участвует АТФ и H 3 PO 4 . В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40 % энергии, остальная рассеивается в виде теплоты. Во всех случаях распада одной молекулы глюкозы образовывается две молекулы АТФ. |
|
|
Стадия аэробного дыхания или кислородного расщепления. |
При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются (расщепляются) до конечных продуктов CO 2 и H 2 O . |
Суммарное уравнение аэробного дыхания:
|
Схема 2.2.4. Брожение.
Бродильный метаболизм – характеризуется образованием АТФ посредством фосфорилирования субстратов.
Первая (окисление) = расщепление
Вторая (восстановление)
Включает превращения глюкозы в пировиноградную кислоту.
Включает утилизацию водорода для восстановления пировиноградной кислоты.
Пути образования пировиноградной кислоты из углеводов
Схема 2.2.5. Пировиноградная кислота.
Гликолитический путь (путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса)
Путь Энтнера-Дудорова
Пентозо-фосфатный путь
Таблица 2.2.5. Брожение.
|
Тип брожения |
Представители |
Конечный продукт |
Примечания |
|
|
Молочнокислое |
|
Образуют из пирувата молочную кислоту |
В одних случаях (гомоферментное брожение) образуется только молочная кислота, в других также побочные продукты. |
|
|
Муравьинокислое |
Enterobacteriaceae |
Муравьиная кислота – один из конечных продуктов. (наряду с ней – побочные) |
Некоторые виды энтеробактерий расщепляют муравьиную кислоту до H 2 иCO 2/ |
|
|
Маслянокислое |
Масляная кислота и побочные продукты |
Некоторые вид ы клостридий наряду с масляной и другими кислотами образуют бутанол, ацетон и др. (тогда его называют ацетоно-бутиловое брожение). |
||
|
Пропионовокислое |
Propionobacterium |
Образуют из пирувата пропионовую кислоту |
Многие бактерии при сбраживании углеводов наряду с другими продуктами образуют этиловый спирт. При этом он не является основным продуктом. |
Таблица 2.3.1. Белоксинтезирующая система, ионный обмен.
|
Название элемента |
Характеристика |
|
|
Рибосомные субъединицы 30S и 50S |
В случае бактериальных рибосом 70S субчастица 50S содержит рРНК 23S (длина ~3000 нуклеотидов) и субчастица 30S содержит рРНК 16S (длина ~1500 нуклеотидов); большая рибосомная субчастица кроме «длинной» рРНК содержит также одну или две «коротких» рРНК (5S рРНК бактериальных рибосомных субчастиц 50S или 5S и 5.8S рРНК больших рибосомных субчастиц эукариот). (подробнее – см. рис. 2.3.1.) |
|
|
Матричная РНК (мРНК) | ||
|
Полный комплект двадцати аминоацил-тРНК, для образования которых необходимы соответствующие аминокислоты, аминоацил-тРНК-синтетазы, тРНК и АТФ |
Это заряженная энергией и связанная с тРНК аминокислота, готовая для подвоза к рибосоме и включения в синтезирующийся на ней полипептид. |
|
|
Транспортная РНК (тРНК) |
Рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. |
|
|
Белковые факторы инициации |
(у прокариот - IF-1, IF-2, IF-3) Получили свое название потому, что они участвуют в организации активного комплекса (708-комплекса) из субъединиц 30S и 50S, мРНК и инициаторной аминоацил-тРНК (у прокариот - формилметионил-тРНК), который «запускает» (инициирует) работу рибосом - трансляцию мРНК. |
|
|
Белковые факторы элонгации |
(у прокариот - EF-Tu, EF-Ts, EF-G) Участвуют в удлинении (элонгации) синтезируемой полипептидной цепи (пептидила). Белковые факторы терминации или освобождения (англ. - release factors - RF) обеспечивают кодон-специфическое отделение полипептида от рибосомы и окончание синтеза белка. |
|
|
Название элемента |
Характеристика |
|
|
Белковые факторы терминации |
(у прокариот - RF-1, RF-2, RF-3) |
|
|
Некоторые другие белковые факторы (ассоциации, диссоциации субъединиц, высвобождения и пр.). |
Белковые факторы трансляции, необходимые для функционирования системы |
|
|
Гуанозинтрифосфат (ГТФ) |
Для осуществления трансляции необходимо участие ГТФ. Потребность белоксинтезирующей системы в ГТФ очень специфична: он не может быть заменен ни одним из других трифосфатов. На биосинтез белка клетка затрачивает энергии больше, чем на синтез любого другого биополимера. Образование каждой новой пептидной связи требует расщепления четырех высокоэнергетических связей (АТФ и ГТФ): двух для того, чтобы нагрузить аминокислотой молекулу тРНК, и еще двух в ходе элонгации - одну при связывании аа-тРНК и другую при транслокации. |
|
|
Неорганические катионы в определенной концентрации. |
Для поддержания рН системы в физиологических пределах. Ионы аммония используются некоторыми бактериями для синтеза аминокислот, ионы калия - для связывания тРНК с рибосомами. Ионы железа, магния выполняют роль кофактора в ряде ферментативных процессов |
Рисунок 2.3.1. Схематическое изображение структур прокариотических и эукариотических рибосом.
Таблица 2.3.2. Особенности ионного обмена у бактерий.
|
Особенность |
Характеризуется: |
||
|
Высокое осмотическое давление |
Благодаря значительной внутриклеточной концентрации ионов калия в бактериях поддерживается высокое осмотическое давление. |
||
|
Потребление железа |
Для ряда патогенных и условно-патогенных бактерий (эшерихии, шигеллы и др.) потребление железа в организме хозяина затруднено из-за его нерастворимости при нейтральных и слабощелочных значениях pH |
Сидерофоры – специальные вещества, которые, связывая железо, делают его растворимым и транспортабельным. |
|
|
Ассимиляция |
Бактерии активно ассимилируют из среды анионы SO2/ и Р034+ для синтеза соединений, содержащих эти элементы (серосодержащие аминокислоты, фосфолипиды и др.). |
||
|
Для роста и размножения бактерий необходимы минеральные соединения - ионы NH4+, К+, Mg2+ и др. (подробнее, смотри табл. 2.3.1.) |
|||
Таблица 2.3.3. Ионный обмен
|
Название минеральных соединений |
Функция |
|
|
NH 4 + (ионы аммония) |
Используются некоторыми бактериями для синтеза аминокислот |
|
|
K + (ионы калия) |
Используются для связывания т-РНК с рибосомами Поддерживают высокое осмотическое давление |
|
|
Fe 2+ (ионы железа) |
Выполняют роль кофакторов в ряде ферментативных процессов Входят в состав цитохромов и других гемопротеидов |
|
|
Mg 2+ (ионы магния) |
||
|
SO 4 2 - (сульфат-анион) |
Необходимы для синтеза соединений, содержащих эти элементы (серосодержащие аминокислоты, фосфолипиды и др.) |
|
|
PO 4 3- (фосфат-анион) |
Схема 2.4.1. Энергетический метаболизм.
Для синтеза бактерии нуждаются в…
Питательных веществах
Таблица 2.4.1. Энергетический метаболизм (биологическое окисление).
|
Процесс |
Необходимо: |
|
|
Синтез структурных компонентов микробной клетки и поддержание процессов жизнедеятельности |
Достаточное количество энергии. Эта потребность удовлетворяется за счет биологического окисления, в результате которого синтезируются молекулы АТФ. |
|
|
Энергия (АТФ) |
Железобактерии получают энергию, выделяющуюся при непосредственном окислении ими железа (Fe2+ в Fe3+), которая используется для фиксации С02, бактерии, метаболизирующие серу, обеспечивают себя энергией за счет окисления серосодержащих соединений. Однако подавляющее большинство прокариот получает энергию путем дегидрогенирования. Получение энергии происходит также в процессе дыхания (подробную таблицу смотри в соответствующем разделе). |
Схема 2.4. Биологическое окисление у прокариот.
Распад полимеров на мономеры
Углеводы
глицерин и жирные кислоты
аминокислоты
моносахариды
Расщепление в бескислородных условиях
Образование промежуточных продуктов
Окисление в кислородных условиях до конечных продуктов
Таблица 2.4.2. Энергетический метаболизм.
|
Понятие |
Характеристика |
|
|
Сущность энергетического метаболизма |
Обеспечение энергией клеток, необходимой для проявления жизни. |
|
|
Молекула АТФ синтезируется в результате переноса электрона от его первичного донора до конечного акцептора. |
||
|
Дыхание – биологическое окисление (расщепление). В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов различают дыхание : Аэробное – при аэробном дыхании конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород O 2 . Анаэробное – конечным акцептором электронов служат неорганические соединения: NO 3 - ,SO 3 - ,SO 4 2- |
||
|
Мобилизация энергии |
Энергия мобилизуются в реакциях окисления и восстановления. |
|
|
Реакция Окисления |
Способность вещества отдавать электроны (окисляться) |
|
|
Реакция Восстановления |
Способность вещества присоединять электроны. |
|
|
Окислительно-восстановительный потенциал |
Способность вещества отдавать (окисляться) или принимать (восстанавливаться) электроны. (количественно выражение) |
Схема 2.5. Синтез.
углеводов
Таблица 2.5.1. Синтез
Таблица 2.5.1. Синтез
|
Биосинтез |
Из чего |
Примечания |
|
|
Биосинтез углеводов |
Автотрофы синтезируют глюкозу из CO 2 . Гетеротрофы синтезируют глюкозу из углеродсодержащих соединений. |
Цикл Кальвина (см. схему 2.2.1.) |
|
|
Биосинтез аминокислот |
Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты из: Пирувата α-кетоглутората фумората |
Источник энергии – АТФ. Пируват образуется в гликолитическом цикле. Ауксотрофные микроорганизмы – потребляют готовые в организме хозяина. |
|
|
Биосинтез липидов |
Липиды синтезируются из более простых соединений - продуктов метаболизма белков и углеводов |
Важную роль играют ацетилпереносящие белки. Ауксотрофные микроорганизмы – потребляют готовые в организме хозяина или из питательных сред. |
Таблица 2.5.2. Основные этапы биосинтеза белка.
|
Этапы |
Характеристика |
Примечания |
|
|
Транскрипция |
Процесс синтеза РНК на генах. Это процесс переписывания информации с ДНК – гена на мРНК – ген. |
Осуществляется с помощью ДНК – зависимой РНК – полимеразы. Перенос информации о структуре белка к рибосомам происходит с помощью мРНК. |
|
|
Трансляция (передача) |
Процесс собственного биосинтеза белка. Процесс расшифровки генетического кода в мРНК и осуществление его в виде полипептидной цепи. |
Поскольку каждый кодон содержит три нуклеотида, один и тот же генетический текст можно прочитать тремя разными способами (начиная с первого, второго и третьего нуклеотидов), то есть в трех разных рамках считывания. |
Примечание к таблице: Первичная структура каждого белка – последовательность расположения в нём аминокислот.
Схема 2.5.2. Цепи переноса электронов от первичного донора водорода (электронов) до конечного его акцептора O 2 .
Органическое вещество
(первичный донор электронов)
Флавопротеин (- 0,20)
Хинон (- 0, 07)
Цитохром (+0,01)
Цитохром C(+0,22)
Цитохром A(+0,34)
конечный акцептор
Таблица 3.1. Классификация организмов по типам питания.
|
Элемент-органоген |
Типы питания |
Характеристика |
|
|
Углерод (С) |
Аутотрофы |
Сами синтезируют все углеродосодержащие компоненты клетки из CO 2 . |
|
|
Гетеротрофы |
Не могут удовлетворять свои потребности за счёт CO 2 , используют готовые органические соединения. |
||
|
Сапрофиты |
Источник питания – мёртвые органические субстраты. |
||
|
Источник питания – живые ткани животных и растений. |
|||
|
Прототрофы |
Удовлетворяют свои потребности с помощью атмосферного и минерального азота |
||
|
Ауксотрофы |
Нуждаются в готовых органических азотистых соединениях. |
||
|
Водород (H) |
Основным источником является H 2 O |
||
|
Кислород (O) |
|||
Таблица 3.1.2. Превращение энергии
Таблица 3.1.3. Способы углеродного питания
|
Источник энергии |
Донор электронов |
Способ углеродного питания |
|
|
Энергия солнечного света |
Неорганические соединения |
Фотолитогетеротрофы |
|
|
Органические соединения |
Фотоорганогетеротрофы |
||
|
Окислительно-восстановительные реакции |
Неорганические соединения |
Хемолитогетеротрофы |
|
|
Органические соединения |
Хемоорганогетеротрофы |
Таблица 3.2. Механизмы питания:
|
Механизм |
Условия |
Градиент концентрации |
Затраты энергии |
Субстратная специфичность |
|
|
Пассивная диффузия |
Концентрация питательных веществ в среде превышает концентрацию в клетке. |
По градиенту концентрации | |||
|
Облегчённая диффузия |
Участвуют белки пермеазы. |
По градиенту концентрации | |||
|
Активный транспорт |
Участвуют белки пермеазы. | ||||
|
Транслокация химических групп |
В процессе переноса происходит химическая модификация питательных веществ. |
Против градиента концентрации |
Таблица 3.3. Транспорт питательных веществ из бактериальной клетки.
|
Название |
Характеристика |
|
|
Фосфотрансферазная реакция |
Происходит при фосфорилировании переносимой молекулы. |
|
|
Контрансляционная секреция |
В этом случае синтезируемые молекулы должны иметь особую лидирующую последовательность аминокислот, чтобы прикрепиться к мембране и сформировать канал, через который молекулы белка смогут выйти в окружающую среду. Таким образом выходят из клетки соответствующих бактерий токсины столбняка, дифтерии и другие молекулы |
|
|
Почкование мембраны |
Молекулы, образующиеся в клетке, окружаются мембранным пузырьком, который отшнуровывается в окружающую среду. |
Таблица 4. Рост.
|
Понятие |
Определение понятия. |
|
|
Необратимое увеличение количества живого вещества, наиболее часто обусловленное делением клеток. Если у многоклеточных организмов обычно наблюдается увеличение размеров тела, то у многоклеточных увеличивается количество клеток. Но и у бактерий следует выделять увеличение количества клеток и увеличение клеточной массы. |
||
|
Факторы, влияющие на рост бактерий invitro. |
Культуральные среды: Mycobacterium leprae не способны in vitro к Температура (растут в интервале): Мезофильные бактерии (20-40 о С) Термофильные бактерии (50-60 о С) Психрофильные (0-10 о С) |
|
|
Оценка роста бактерий |
Количественную оценку роста обычно проводят в жидких средах, где растущие бактерии образуют гомогенную суспензию. Увеличение количества клеток устанавливают, определяя концентрацию бактерий в 1 мл, либо определяют увеличение клеточной массы в весовых единицах, отнесённых к единице объёма. |
Факторы роста
Аминокислоты
Витамины
Азотистые основания
Таблица 4.1. Факторы роста
|
Факторы роста |
Характеристика |
Функция |
||
|
Аминокислоты |
|
Многие микроорганизмы, особенно бактерии, нуждаются в тех или других аминокислотах (одной или нескольких), поскольку они не могут их самостоятельно синтезировать. Такого рода микроорганизмы называются ауксотрофными по тем аминокислотам или другим соединениям, которые они не способны синтезировать. |
||
|
Пуриновые основания и их производные |
Нуклеотиды: |
Являются факторами роста бактерий. В нуклеотидах нуждаются некоторые виды микоплазм. Требуются для построения нуклеиновых кислот. |
||
|
Пиримидиновые основания и их производные |
Нуклеотиды |
|||
|
Факторы роста |
Характеристика |
Функция |
||
|
Нейтральные липиды |
Входят в состав мембранных липидов |
|||
|
Фосфолипиды |
||||
|
Жирные кислоты |
Являются компонентами фосфолипидов |
|||
|
Гликолипиды |
У микоплазм входят в состав цитоплазматической мембраны |
|||
|
Витамины (в основном группы B) |
Тиамин (B1) |
Золотистый стафилококк, пневмококк, бруцеллы |
||
|
Никотиновая кислота (B3) |
Все виды палочковидных бактерий |
|||
|
Фолиевая кислота (B9) |
Бифидобактерии и пропионовокислые |
|||
|
Пантотеновая кислота (B5) |
Некоторые виды стрептококков, бациллы столбняка |
|||
|
Биотин (B7) |
Дрожжи и азотфиксирующие бактерий Rhizobium |
|||
|
Гемы – компоненты цитохромов |
Гемофильным бактериям, микобактериям туберкулеза |
|||
Таблица 5. Дыхание.
|
Название |
Характеристика |
|
|
Биологическое окисление (ферментативные реакции) |
||
|
Основание |
Дыхание основано на окислительно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ – универсального аккумулятора химической энергии. |
|
|
Процессы |
При дыхании происходят процессы: Окисление – отдача донорами водорода или электронов. Восстановление – присоединение водорода или электронов к акцептору. |
|
|
Аэробное дыхание |
Конечным акцептором водорода или электронов служит молекулярный кислород. |
|
|
Анаэробное дыхание |
Акцептором водорода или электронов является неорганическое соединение – NO 3 - ,SO 4 2- ,SO 3 2- . |
|
|
Брожение |
Акцептором водорода или электронов являются органические соединения. |
Таблица 5.1. Классификация по типу дыхания.
|
Бактерии |
Характеристика |
Примечания |
|
|
Строгие анаэробы |
Энергетический обмен происходит без участия свободного кислорода. Синтез АТФ при потреблении глюкозы в анаэробных условиях (гликолиз) происходит за счет фосфорилирования субстрата. Кислород для анаэробов не служит конечным акцептором электронов. Более того, молекулярный кислород оказывает на них токсическое действие |
у строгих анаэробов отсутствует фермент каталаза, поэтому накапливающаяся в присутствии кислорода оказывает на них бактерицидное действие; у строгих анаэробов отсутствует система регуляции окислительно-восстановительного потенциала (редокс-потенциала). |
|
|
Строгие аэробы |
Способны получать энергию только путём дыхания и поэтому обязательно нуждаются в молекулярном кислороде. Организмы, получающие энергию и образующие АТФ при помощи только окислительного фосфорилирования субстрата, где окислителем может выступать только молекулярный кислород. Рост большинства аэробных бактерий прекращается при концентрации кислорода в 40-50 % и выше. |
К строгим аэробам относят, например, представителей рода Pseudomonas |
|
|
Бактерии |
Характеристика |
Примечания |
|
|
Факультативные анаэробы |
Растут как в присутствии, так и в отсутствии молекулярного кислорода Аэробные организмы содержат чаще всего три цитохрома, факультативные анаэробы - один или два, облигатные анаэробы не содержат цитохромов. |
К факультативным анаэробам относят энтеробактерии и многие дрожжи, способные переключаться с дыхания в присутствии 0 2 на брожение в отсутствии 0 2 . |
|
|
Микроаэрофилы |
Микроорганизм, требующий, в отличие от строгих анаэробов, для своего роста присутствия кислорода в атмосфере или питательной среде, но в пониженных концентрациях по сравнению с содержанием кислорода в обычном воздухе или в нормальных тканях организма хозяина (в отличие от аэробов, для роста которых необходимо нормальное содержание кислорода в атмосфере или питательной среде). Многие микроаэрофилы так же являются капнофилами, то есть им требуется повышенная концентрация углекислого газа. |
В лаборатории такие организмы легко культивируются в «свечной банке». «Свечная банка» это ёмкость, в которую перед запечатыванием воздухонепроницаемой крышкой вносят горящую свечу. Пламя свечи будет гореть до тех пор, пока не потухнет от недостатка кислорода, в результате чего в банке образуется атмосфера, насыщенная диоксидом углерода, с пониженным содержанием кислорода. |
Таблица 6. Характеристика размножения.
Схема 6. Зависимость продолжительности генерации от различных факторов.
Продолжительность генерации
Вид бактерии
Популяция
Температура
Состав питательной среды
Таблица 6.1. Фазы размножения бактерий.
|
Фаза |
Характеристика |
|
|
Исходная стационарная фаза |
Продолжается 1-2 часа. В течение данной фазы число бактериальных клеток не увеличивается. |
|
|
Лаг-фаза (фаза задержки размножения) |
Характеризуется началом интенсивного роста клеток, но скорость их деления остается невысокой. |
|
|
Лог-фаза (логарифмическая) |
Отличается максимальной скоростью размножения клеток и увеличением численности бактериальной популяции в геометрической прогрессии |
|
|
Фаза отрицательного ускорения |
Характеризуется меньшей активностью бактериальных клеток и удлинением периода генерации. Это происходит в результате истощения питательной среды, накопления в ней продуктов метаболизма и дефицита кислорода. |
|
|
Стационарная фаза |
Характеризуется равновесием между количеством погибших, вновь образующихся и находящихся в состоянии покоя клеток. |
|
|
Фаза гибели |
Происходит в постоянной скоростью и сменяется УП-УШ фазами уменьшения скорости отмирания клеток. |
Схема 7. Требования к питательным средам.
Требования
Вязкость
Влажность
Стерильность
Питательность
Прозрачность
Изотоничность
Таблица 7. Размножение бактерий на питательных средах.
|
Питательная среда |
Характеристика |
||
|
Плотные питательные среды |
На плотных питательных средах бактерии образуют колонии – скопления клеток. |
||
|
S – тип (smooth – гладкий и блестящий) Круглые, с ровным краем, гладкие, выпуклые. |
R – тип (rough – шершавый, неравный) Неправильной формы с изрезанными краями, шероховатые, вмятые. |
||
|
Жидкие питательные среды |
Придонный рост (осадок) Поверхностный рост (плёнка) Диффузный рост (равномерное помутнение) |
||
Таблица 7.1. Классификация питательных сред.
|
Классификация |
Виды |
Примеры |
|
|
По составу |
МПА – мясо-пептонный агар МПБ – мясо-пептонный бульон ПВ – пептонная вода |
||
|
Кровяной агар ЖСА – желточно-солевой агар Среды Гисса |
|||
|
По назначению |
Основные | ||
|
Элективные |
Щелочной агар Щелочная пептонная вода |
||
|
Дифференциально - диагностические |
|
||
|
Специальные |
Вильсона-Блера Китта-Тароцци Тиогликолевый бульон Молоко по Тукаеву |
||
|
По консистенции |
Кровяной агар Щелочной агар |
||
|
Полужидкие |
Полужидкий агар |
||
|
По происхождению |
Натуральные | ||
|
Полусинтетические | |||
|
Синтетические |
|
Таблица 7.2. Принципы выделения чистой культуры клеток.
|
Механический принцип |
Биологический принцип |
|
1. Фракционных разведений Л. Пастера 2. Пластинчастых разведений Р. Коха 3. Поверхностных посевов Дригальського 4. Поверхностных штрихов |
Приймают во внимание: а - тип дыхания (метод Фортнера); б - подвижность (метод Шукевича); в - кислотоустойчивость; г - спорообразование; д - температурный оптимум; е - избирательную чувствительность лабораторных животных к бактериям |
Таблица 7.2.1. Этапы выделения чистой культуры клеток.
|
Этап |
Характеристика |
|
|
1 этап исследования |
Забирают патологический материал. Его изучают - внешний вид, консистенция, цвет, запахом и другие признаки, готовят мазок, красят и исследуют под микроскопом. |
|
|
2 этап исследования |
На поверхности плотной питательной среды микроорганизмы образуют сплошной, густой рост или изолированные колонии. Колония – это видимые невооруженным глазом скопления бактерий на поверхности или в толще питательной среды. Как правило, каждая колония формируется из потомков одной микробной клетки (клоны), потому их состав достаточно однороден. Особенности роста бактерий на питательных средах являются проявлением их культуральных свойств. |
|
|
3 этап исследования |
Изучают характер роста чистой культуры микроорганизмов и проводят ее идентификацию. |
Таблица 7.3. Идентификация бактерий.
|
Название |
Характеристика |
|
|
Биохимическая идентификация |
Определение вида возбудителя по его биохимическим свойствам |
|
|
Серологическая идентификация |
С целью установления видовой принадлежности бактерий часто изучают их антигенное строение, то есть проводят идентификацию по антигенным свойствам |
|
|
Идентификация по биологическим свойствам |
Иногда идентификацию бактерий проводят, заражая лабораторных животных чистой культурой и наблюдая за теми изменениями, которые вызывают возбудители в организме |
|
|
Культуральная идентификация |
Определения вида возбудителей по их культуральным признакам |
|
|
Морфологическая идентификация |
Определение вида бактерий по их морфологическим признакам |
Какой из процессов не относится к физиологии бактерий?
Размножение
Какие вещества составляют 40 – 80 % сухой массы бактериальной клетки?
Углеводы
Нуклеиновые кислоты
Какие классы ферментов синтезируют микроорганизмы?
Оксиредуктазы
Все классы
Трансферазы
Ферменты, концентрация которых в клетке резко возрастает в ответ на появление в среде субстрата-индуктора?
Иидуцибельные
Конституционные
Репрессибельные
Мультиферментные комплексы
Фермент патогенности, выделяемый золотистым стафилококком?
Нейраминидаза
Гиалуронидаза
Лецитиназа
Фибринолизин
Протеолитические ферменты выполняют функцию?
Расщепление белков
Расщепление жиров
Расщепление углеводов
Образование щелочей
Брожение энтеробактерий?
Молочнокислое
Муравьинокислое
Пропионовокислое
Маслянокислое
Какие минеральные соединения используются для связывания т-РНК с рибосомами?
Биологическое окисление это…?
Размножение
Гибель клеток
Какие вещества сами синтезируют все углеродосодержащие компоненты клетки из CO 2 .
Прототрофы
Гетеротрофы
Автотрофы
Сапрофиты
Питательные среды различаются:
По составу
По консистенции
По назначению
По всему из вышеперечисленного
Фаза размножения, которая характеризуется равновесием между количеством погибших, вновь образующихся и находящихся в состоянии покоя клеток?
Фаза отрицательного ускорения
Стационарная фаза
Продолжительность генерации зависит от?
Возраста
Популяции
Всего вышеперечисленного
С целью установления видовой принадлежности бактерий часто изучают их антигенное строение, то есть проводят идентификацию, какую?
Биологическую
Морфологическую
Серологическую
Биохимическую
Метод поверхностных посевов Дригальского относят к…?
Механическим принципам выделения чистой культуры
Биологическим принципам выделения чистой культуры
Список литературы
1. Борисов Л. Б. Медицинская микробиология, вирусология, иммунология: учебник для мед. вузов. – М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2005.
2. Поздеев О. К. Медицинская микробиология: учебник для мед. вузов. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2005.
3. Коротяев А. И., Бабичев С. А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология / учебник для мед. вузов. – Спб.: СпецЛит, 2000.
4.Воробьев А. А., Быков А. С., Пашков Е. П., Рыбакова А. М. Микробиология: учебник. – М.: Медицина, 2003.
5. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология: учебник / под ред. В. В. Зверева, М. Н. Бойченко. – М.: ГЭОТАр-Медиа, 2014.
6. Руководство к практическим занятиям по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии / под ред. В. В. Теца. – М.: Медицина, 2002.
Введение 6
Состав бактерий с точки зрения их физиологии. 7
Метаболизм 14
Питание (транспорт питательных веществ) 25
Дыхание 31
Размножение 34
Микробные сообщества 37
ПРИЛОЖЕНИЯ 49
Список литературы 105
Антигенная структура микроорганизмов очень разнообразна. У микроорганизмов различают общие, или групповые, и специфические, или типовые, антигены.
Групповые антигены являются общими для двух или более видов микробов, входящих в один род, а иногда относящихся и к разным родам. Так, общие групповые антигены имеются у отдельных типов рода сальмонелл; возбудители брюшного тифа имеют общие групповые антигены с возбудителями паратифа А и паратифа В (0-1,12).
Специфические антигены имеются только у данного вида микроба или даже только у определенного типа (варианта) либо подтипа внутри вида. Определение специфических антигенов позволяет дифференцировать микробы внутри рода, вида, подвида и даже типа (подтипа). Так, внутри рода сальмонелл по комбинации антигенов дифференцировано более 2000 типов сальмонелл, а у подвида шигелл Флекснера - 5 серотипов (серовариантов).
По локализации антигенов в микробной клетке различают соматические антигены, связанные с телом микробной клетки, капсульные - поверхностные, или оболочечные антигены и жгутиковые антигены, находящиеся в жгутиках.
Соматические, О-антигены (от нем. ohne Hauch - без дыхания), связаны с телом микробной клетки. У грамотрицательных бактерий О-антиген - сложный комплекс липидополисахаридно-белковой природы. Он высоко токсичен и является эндотоксином этих бактерий. У возбудителей кокковых инфекций, холерных вибрионов, возбудителей бруцеллеза, туберкулеза и некоторых анаэробов из тела микробных клеток выделены полисахаридные антигены, которые обусловливают типовую специфичность бактерий. Как антигены они могут быть активны в чистом виде и в комплексе с липидами.
Жгутиковые, Н-антигены (от нем. Hauch - дыхание), имеют белковую природу и находятся в жгутиках подвижных микробов. Жгутиковые антигены быстро разрушаются при нагревании и под действием фенола. Они хорошо сохраняются в присутствии формалина. Это свойство используют при изготовлении убитых диагностии кумов для реакции агглютинации, когда необходимо сохранить жгутики.
Капсульные, К - антигены , - расположены на поверхности микробной клетки и называются еще поверхностными, или оболочечными. Наиболее детально они изучены у микробов семейства кишечных, у которых различают Vi-, М-, В-, L- и А-антигены. Важное значение из них имеет Vi-антиген. Впервые он был обнаружен в штаммах бактерий брюшного тифа, обладающих высокой вирулентностью, и получил название антигена вирулентности. При иммунизации человека комплексом О- и Vi- антигенов наблюдается высокая степень защиты против брюшного тифа. Vi-антиген разрушается при 60°С и менее токсичен, чем О-антиген. Он обнаружен и у других кишечных микробов, например у кишечной палочки.
Протективный (от лат. protectio - покровительство, защита), или защитный, антиген образуется сибиреязвенными микробами в организме животных и обнаруживается в различных экссудатах при заболевании сибирской язвой. Протективный антиген является частью экзотоксина, выделяемого микробом сибирской язвы, и способен вызывать выработку иммунитета. В ответ на введение этого антигена образуются комплементсвязывающие антитела. Протективный антиген можно получить при выращивании сибиреязвенного микроба на сложной синтетической среде. Из протективного антигена приготовлена высокоэффективная химическая вакцина против сибирской язвы. Защитные протективные антигены обнаружены также у возбудителей чумы, бруцеллеза, туляремии, коклюша.
Полноценные антигены вызывают в организме синтез антител или сенсибилизацию лимфоцитов и вступают с ними в реакцию как in vivo, так и in vitro. Для полноценных антигенов характерна строгая специфичность, т. е. вызывают в организме выработку только специфических антител, вступающих в реакцию только с данным антигеном. К таким антигенам относят белки животного, растительного и бактериального происхождения.
Неполноценные антигены (гаптены ) представляют собой сложные углеводы, липиды и другие вещества, не способные вызывать образование антител, но вступающие с ними в специфическую реакцию. Гаптены приобретают свойства полноценных антигенов лишь при условии введения их в организм в комплексе с белком.
Типичными представителями гаптенов являются липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты, а также простые вещества: краски, амины, йод, бром и др.
Вакцинация как метод профилактики инфекционных болезней. История развития вакцинации. Вакцины. Требования, предъявляемые к вакцинам. Факторы, определяющие возможность создания вакцин.
Вакцины - это биологически активные препараты, предупреждающие развитие инфекционных заболеваний и других проявлений иммунопатологии. Принцип применения вакцин заключается в опережающем создании иммунитета и, как следствие, устойчивости к развитию заболевания. Вакцинацией называют мероприятия, направленные на искусственную иммунизацию населения путем введения вакцин для повышения устойчивости к заболеванию. Цель вакцинации заключается в создании иммунологической памяти против конкретного патогена.
Различают пассивную и активную иммунизацию. Введение иммуноглобулинов, полученных от других организмов, - пассивная иммунизация. Она применяется как в терапевтических, так и профилактических целях. Введение вакцин - это активная иммунизация. Основное отличие активной иммунизации от пассивной - формирование иммунологической памяти.
Иммунологическая память обеспечивает ускоренное и более эффективное удаление чужеродных агентов при их повторном появлении в организме. Основой иммунологической памяти являются T- и B-клетки памяти.
Первая вакцина получила своё название от слова vaccinia (коровья оспа) - вирусная болезнь крупного рогатого скота. Английский врач Эдвард Дженнер впервые применил на мальчике Джеймсе Фиппсе вакцину против натуральной оспы, полученную из пузырьков на руке больного коровьей оспой, в 1796 г. Лишь спустя почти 100 лет (1876-1881) Луи Пастер сформулировал главный принцип вакцинации - применение ослабленных препаратов микроорганизмов для формирования иммунитета против вирулентных штаммов.
Некоторые из живых вакцин были созданы советскими учеными, например, П. Ф. Здродовский создал вакцину против сыпного тифа в 1957-59 годах. Вакцину против гриппа создала группа ученых: А. А. Смородинцев, В. Д. Соловьев, В. М. Жданов в 1960 году. П. А. Вершилова в 1947-51 годах создала живую вакцину отбруцеллёза .
Вакцина должна удовлетворять следующим требованиям:
● активировать клетки, участвующие в процессинге и презентации антигена;
● содержать эпитопы для T- и T-клеток, обеспечивающие клеточный и гуморальный ответ;
● легко подвергаться процессингу с последующей эффективной презентацией антигенами гистосовместимости;
● индуцировать образование эффекторных T-клеток, антителопродуцирующих клеток и соответствующих клеток памяти;
● предотвращать развитие заболевания в течение длительного времени;
● быть безвредной, то есть не вызывать серьезного заболевания и побочных эффектов.
Эффективность вакцинации - это фактически процент привитых, отреагировавших на вакцинацию формированием специфического иммунитета. Таким образом, если эффективность определенной вакцины составляет 95%, то это означает, что из 100 привитых 95 надежно защищены, а 5 все-таки подвержены риску заболевания. Эффективность вакцинации определяется тремя группами факторов. Факторы, зависящие от вакцинного препарата: свойства самой вакцины, определяющие ее иммуногенность (живая, инактивированная, корпускулярная, субъединичная, количество иммуногена и адъювантов и т.д.); качество вакцинного препарата, т. е. иммуногенность не утрачена в связи с истечением срока годности вакцины или в связи с тем, что ее неправильно хранили или транспортировали. Факторы, зависящие от вакцинируемого: генетические факторы, определяющие принципиальную возможность (или невозможность) выработки специфического иммунитета; возраст, ибо иммунный ответ самым тесным образом определяется степенью зрелости системы иммунитета; состояние здоровья «вообще» (рост, развитие и пороки развития, питание, острые или хронические болезни и др.); фоновое состояние иммунной системы - прежде всего наличие врожденных или приобретенных иммунодефицитов.
Федеральное агентство по образованию
Бийский технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения
по курсам «Общая биология и микробиология», «Микробиология» для студентов специальностей 240901 «Биотехнология»,
260204 «Технология бродильных производств и виноделие»
всех форм обучения
УДК 579.118:579.22
Каменская, микроорганизмов: методические рекомендации к лабораторным работам по курсам «Общая биология
и микробиология», «Микробиология» для студентов специальностей 240901 «Биотехнология», 260204 «Технология бродильных произ-водств и виноделие» всех форм обучения / ,
.
Алт. гос. техн. ун-т, БТИ . – Бийск:
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 36 с.
В настоящих методических рекомендациях рассматриваются основные понятия, правила и принципы классификации и идентификации микроорганизмов. Приводится лабораторная работа по изучению различных свойств бактерий, необходимых для описания бактериального штамма и идентификации его до уровня рода.
Рассмотрены и одобрены
на заседании кафедры
«Биотехнология».
Протокол № 88 от 01.01.2001 г.
Рецензент:
д. б.н., профессор, БПГУ им.
© БТИ АлтГТУ, 2007
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРАВИЛА НАИМЕНОВАНИЯ
МИКРООРГАНИЗМОВ
Описано несколько тысяч видов микроорганизмов, однако считают, что это составляет менее 1 % от реально существующих. Изучение разнообразия микроорганизмов составляет предмет систематики. Основной ее задачей является создание естественной системы, отражающей филогенетические взаимоотношения микроорганизмов. До последнего времени систематика микроорганизмов базировалась преимущественно на фенотипических признаках: морфологических , физиологических, биохимических и др., поэтому существующие системы классификации носят в значительной степени искусственный характер. Однако они позволяют сравнительно легко идентифицировать некоторые вновь выделенные штаммы микроорганизмов.
Систематика включает такие разделы, как классификация, номенклатура и иден тификация . Классификация определяет порядок помещения индивидуумов, обладающих заданной степенью однородности, в определенные группы (таксоны). Номенклатура представляет собой свод правил наименования таксонов. Идентификация означает определение принадлежности изучаемого организма к тому или иному таксону.
Термин «таксономия» часто используют как синоним систематики, однако иногда под ним понимают раздел систематики, включающий теорию классификации, учение о системе таксономических категорий, границах и соподчинении таксонов. Основной таксономической категорией в микробиологии, как и в других биологических науках, является вид - совокупность особей, характеризующихся рядом общих морфологических, физиолого-биохимических, молекулярно-генетических признаков.
Под термином «штамм» понимают чистую культуру микроорганизма, выделенную из определенного места обитания (воды, почвы, организма животного и т. д.). Разные штаммы одного вида микроорганизмов могут различаться по некоторым признакам, например, чувствительности к антибиотикам , способности синтезировать некоторые продукты метаболизма и т. д., но эти различия меньше, чем видовые. Понятие «штамм» в микробиологии и генетике несколько различаются: в микробиологии это понятие является более широким. Виды микроорганизмов объединяют в таксономические категории более высокого порядка: роды, семейства, порядки, классы, отделы, царства. Эти категории называют обязательными. Предусмотрены также необязательные категории: подкласс, подпорядок, подсемейство, триба, подтриба, подрод, подвид. Однако в систематике необязательные категории используются довольно редко.
Номенклатура микроорганизмов подчиняется международным правилам. Так, имеется Международный кодекс номенклатуры бактерий. Для дрожжевых грибов основным руководством является «The Yeasts. A Taxonomic Study», для мицелиальных грибов и водорослей – Международный кодекс ботанической номенклатуры.
Для наименования объектов в микробиологии, как в зоологии и ботанике, используют бинарную или биноминальную (от лат. bis – дважды) систему номенклатуры, в соответствии с которой каждый вид имеет название, состоящее из двух латинских слов. Первое слово означает род, а второе определяет конкретный вид этого рода и называется видовым эпитетом. Родовое название всегда пишется с заглавной буквы, а видовое – со строчной даже в том случае, если видовой эпитет присвоен в честь ученого, например Clostridium pasteurianum . В тексте, особенно с латинской графикой, все словосочетание выделяют курсивом. При повторном упоминании названия микроорганизма родовое название можно сократить до одной или нескольких начальных букв, например С. pasteurianum . Если в тексте встречаются названия двух микроорганизмов, которые начинаются с одной и той же буквы (например, Clostridium pasteurianum и Citrobacterfreundii ), то сокращения должны быть разными (С. pasteurianum и Ct . freundii ). Если микроорганизм идентифицирован только до рода, вместо видового эпитета пишут слово sp. (species – вид), например Pseudomonas sp. В этом случае при повторном упоминании названия микроорганизма в тексте родовое название следует всегда писать полностью.
Для наименования подвида используют словосочетание, состоящее из названия рода, а также видового и подвидового эпитетов. Для разграничения этих эпитетов между ними пишут буквенное сочетание, представляющее собой сокращенное слово subspecies – «subsp.» или (реже) «ss.». Например, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus .
Для каждого штамма указывают также аббревиатуру названия коллекции культур микроорганизмов, в которой он хранится, и номер, под которым он там значится. Например, Clostridium butyricum АТСС 19398 означает, что штамм хранится в американской коллекции типовых культур (American Type Culture Collection, АТСС) под номером 19398. Список коллекций микроорганизмов, пользующихся мировой известностью, приводится в «Руководстве Берджи по систематике бактерий» (Bergeys Manual of Systematic Bacteriology, 1984–1989), в каталогах культур микроорганизмов и других справочных изданиях.
Описание любого нового вида микроорганизмов базируется на типовом штамме, который хранится в одной из коллекций микроор-ганизмов и на основании совокупности свойств которого данный вид
характеризуется в оригинальной статье или определителе. Типовой штамм является номенклатурным типом вида, поскольку за ним закреплено видовое название. Если какие-либо штаммы, первоначально включенные в тот же вид, в дальнейшем будут признаны заслуживающими выделения в особые виды, они должны получить новые названия, а старое видовое название сохраняется за типовым и родственным ему штаммами. При этом номер переименованного штамма сохраняется прежним. Аутентичными называют штаммы, полностью совпадающие по своим свойствам.
Для рода номенклатурным типом является специально обозначенный типовой вид, обладающий набором наиболее характерных для представителей данного таксона признаков. Например, в роде Bacillus типовым видом является В. subtilis .
В некоторых определителях и каталогах указывают старые названия переименованных микроорганизмов, а также приводят фамилии авторов, которые первыми выделили данный микроорганизм, и год публикации, в которой впервые описан этот организм. Например, один из видов дрожжей указывается в каталоге Всероссийской коллекции микроорганизмов (ВКМ) как Candida magnoliae (Lodder et Kreger van Rij, 1952) Meyer et Yarrow 1978, BKM Y-1685. Это означает, что он впервые был описан Lodder и Kreger van Rij в публикации 1952 г., тогда этот вид был назван Torulopsis magnoliae . В 1978 г. Torulopsis magnoliae был переименован такими исследователями, как Meyer и Yarrow, в Candida magnoliae и хранится в настоящее время в ВКМ под номером ВКМ Y-1685. Буква Y перед номером штамма означает «the Yeasts» – дрожжи.
Кроме понятия «штамм» в микробиологии применяют термины «вариант», «тип», «форма». Они обычно используются для обозначения штаммов микроорганизмов, отличающихся по некоторым признакам от типового штамма. Штамм, отличающийся от типового по морфологическим особенностям, называют морфовар
(морфотип), физиолого-биохимическим особенностям – биовар
(биотип, физиологический тип), по способности синтезировать определенные химические соединения – хемовар
(хемоформа, хемотип), условиям культивирования – культивар,
по типу ответа на внедрение бактериофага – фаговар
(фаготип, лизотип), антигенным характеристикам – серовар
(серотип)
и т. п.
В работах по генетике микроорганизмов часто используют термин «клон», под которым подразумевают популяцию генетически родственных клеток, полученную неполовым путем из одной родительской клетки. В молекулярной биологии клоном называют множественные
копии идентичных последовательностей ДНК, полученные при их встраивании в клонирующие векторы (например, плазмиды). Под термином «генетически модифицированные», или «рекомбинантные», штаммы понимают штаммы микроорганизмов, полученные в результате генноинженерных манипуляций. Часто новые штаммы микроорганизмов получают с помощью мутагенов.
Каждый новый штамм микроорганизмов, выделенный из природных или техногенных источников, должен быть охарактеризован для получения полного набора данных о свойствах микроорганизма
в чистой культуре. Эти данные могут быть использованы, например, для составления паспорта ценных в промышленном отношении штаммов, а также для их идентификации.
Цель идентификации
– установить таксономическое положение исследуемого штамма на основании сравнения его свойств с изученными и принятыми (официально зарегистрированными) видами. Поэтому результатом идентификации обычно является отождествление исследуемого микроорганизма с каким-нибудь видом или отнесение
к определенному роду. Если исследуемый штамм или группа штаммов отличаются по своим свойствам от представителей известных таксонов, то они могут быть выделены в новый таксон. Для этого дают описание нового таксона, включающее например, в случае бактерий, следующее: перечень штаммов, входящих в таксон; характеристику каждого штамма; перечень свойств, рассматриваемых в качестве существенных
в таксоне; перечень свойств, которые квалифицируют таксон для представительства в ближайшем более высоком таксоне; перечень диагностических характеристик, дифференцирующих предлагаемый таксон от близкородственных таксонов; отдельное описание типового (для вида) штамма; фотографию микроорганизма.
Чтобы вновь предлагаемый таксон мог быть официально принят, его описание должно быть опубликовано в соответствии с определенными правилами. Например, действительное или узаконенное опубликование таксона бактерий предусматривает помещение статьи с его описанием в Международном журнале по систематике и эволюционной микробиологии «International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology» (IJSEM). Если публикация появляется в другом авторитетном научном журнале (эффективное опубликование), то оттиск статьи из этого журнала направляется в IJSEM. С 1980 г. в IJSEM регулярно публикуются так называемые списки узаконенных наименований бактерий. В них перечисляются все наименования бактерий, которые были опубликованы в IJSEM (действительное или узаконенное опубликование) или эффективно опубликованы прежде в каких-либо
других авторитетных журналах. После внесения наименования бактерий в список узаконенных IJSEM наименований это наименование признается действительным, независимо от того, было ли оно ранее опубликовано в IJSEM или другом журнале. Дата появления публикации наименования данного таксона в IJSEM или в списке узаконенных наименований IJSEM является для таксона приоритетной.
Культура типового штамма нового вида микроорганизмов передается на хранение в одну из коллекций микроорганизмов мирового значения. В случае утери типового штамма возможна его замена на так называемый неотиповой штамм. При этом должно быть подтверждено, что свойства нового штамма хорошо совпадают с описанием утерянного. Чтобы показать, что таксон предлагается впервые, после названия нового семейства добавляется сокращенная комбинация «fam. nov.», нового рода – «gen. nov.», а нового вида – «sp. nov.». Например,
в 2000 г. с соавторами было предложено новое семейство бактерий – Oscillochloridaceae
,
fam. nov. Выражение «species insertac sedis» означает, что речь идет о виде, временно не имеющем определенного таксономического статуса, так как не ясно, в какой таксон более высокого порядка – род или семейство – следует поместить данный вид из-за недостатка необходимых для этого экспериментальных
данных.
2 ОПИСАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ
МИКРООРГАНИЗМОВ
Как уже отмечалось, принципы классификации и идентификации разных групп прокариот и эукариотных микроорганизмов имеют существенные различия. Идентификация грибов до классов, порядков
и семейств основана на характерных чертах строения и способах образования, в первую очередь, половых структур. Кроме того, используется характеристика бесполых спороношений, строение и степень развития мицелия (зачаточный, хорошо развитый, септированный или несептированный), культуральные (колония) и физиологические признаки. Дифференциация родов внутри семейств и идентификация видов проводятся с применением морфологических признаков, полученных
с использованием электронной микроскопии, а также физиологических и культуральных особенностей. Единого определителя для идентификации всех грибов не существует, поэтому вначале определяют класс или порядок идентифицируемого гриба и далее пользуются соответствующим определителем для этого класса или порядка.
Идентификация дрожжевых грибов, которые относятся к числу широко используемых объектов разных микробиологических исследований, основана на культуральных (макроморфологических), цитологических , физиолого-биохимических особенностях, характеристике жизненных циклов и полового процесса, специфических признаках, связанных с экологией, и проводится с использованием специальных определителей для дрожжей.
В основе систематики микроскопических форм водорослей лежит строение их клеток и состав пигментов. Определение систематического положения простейших проводится с использованием морфологических особенностей и жизненных циклов. Таким образом, идентификация эукариот базируется главным образом на особенностях их морфологии и циклов развития.
Идентификация прокариот, которые морфологически менее разнообразны, чем эукариоты, основана на использовании широкого спектра фенотипических, а во многих случаях и генотипических признаков. Она в большей степени, чем идентификация эукариот, основывается на функциональных признаках, поскольку большинство бактерий можно идентифицировать не по их внешнему виду, а только выяснив, какие процессы они способны осуществлять.
При описании и идентификации бактерий изучают их культуральные свойства, морфологию, организацию клетки, физиолого-биохимические особенности, химический состав клеток, содержание
гуанина и цитозина (ГЦ) в ДНК, последовательность нуклеотидов в гене, кодирующем синтез 16S рРНК и другие фено - и генотипические признаки. При этом необходимо соблюдать следующие правила: работать с чистыми культурами, применять стандартные методы исследования, а также использовать для инокуляции клетки, находящиеся в активном физиологическом состоянии.
2.1 Культуральные свойства
К культуральным, или макроморфологическим, свойствам относятся характерные особенности роста микроорганизмов на плотных и жидких питательных средах.
2.1.1 Рост на плотных питательных средах
На поверхности плотных питательных сред в зависимости от посева микроорганизмы могут расти в виде колонии, штриха или сплошного газона. Колонией называют изолированное скопление клеток одного вида, выросшее в большинстве случаев из одной клетки. В зависимости от того, где развивались клетки (на поверхности плотной питательной среды, в толще ее или на дне сосуда), различают поверхностные, глубинные и донные колонии.
Образование поверх ностных колоний – наиболее существенная особенность роста многих микроорганизмов на плотном субстрате. Такие колонии отличаются большим разнообразием. При их описании учитывают следующие признаки:
профиль – плоский, выпуклый, кратерообразный, конусовидный и т. д. (рисунок 1);
форму – округлая, амебовидная, неправильная, ризоидная и т. д. (рисунок 2);
размер (диаметр) – измеряют в миллиметрах; если размеры колонии не превышают 1 мм, то их называют точечными;
поверхность – гладкая, шероховатая, бороздчатая, складчатая, морщинистая, с концентрическими кругами или радиально исчерченная;
блеск и прозрачность – колония блестящая, матовая, тусклая, мучнистая, прозрачная;
цвет
– бесцветная (грязно-белые колонии относят к бесцветным) или пигментированная – белая, желтая, золотистая, оранже-
вая, сиреневая, красная, черная и т. д.; особо отмечают выделение в
субстрат пигмента; при описании колоний актиномицетов отмечают пигментацию воздушного и субстратного мицелия, а также выделение пигментов в среду;
край – ровный, волнистый, зубчатый, бахромчатый и т. д. (рисунок 3);
структуру – однородная, мелко - или крупнозернистая, струйчатая и т. д. (рисунок 4); край и структуру колонии определяют с помощью лупы или при малом увеличении микроскопа. Для этого чашку Петри помещают на столик микроскопа крышкой вниз;
консистенцию определяют, прикасаясь к поверхности колонии петлей. Колония может легко сниматься с агара, быть плотной, мягкой или врастающей в агар, слизистой (прилипает к петле), тягучей, иметь вид пленки (снимается целиком), быть хрупкой (легко ломается при прикосновении петлей).
1 – изогнутый; 2 – кратерообразный; 3 – бугристый;
4 – врастающий в субстрат; 5 – плоский; 6 – выпуклый;
7 – каплевидный; 8 – конусовидный
Рисунок 1 – Профиль колонии
Глубинные колонии,
напротив, довольно однообразны. Чаще всего они по виду похожи на более или менее сплющенные чечевички,
в проекции имеющие форму овалов с заостренными концами. Лишь
у немногих бактерий глубинные колонии напоминают пучки ваты
с нитевидными выростами в питательную среду. Образование глубинных колоний часто сопровождается разрывом плотной среды, если микроорганизмы выделяют углекислоту или другие газы.
Донные колонии разных микроорганизмов обычно имеют вид тонких прозрачных пленок, стелющихся по дну.
Размеры и многие другие особенности колонии могут изменяться с возрастом и зависят от состава среды. Поэтому при их описании указывают возраст культуры, состав среды и температуру культивирования.
1
– круглая; 2
– круглая с фестончатым краем; 3
– круглая с валиком по краю; 4, 5
– ризоидные; 6
– с ризоидным краем; 7 – амебовидная;
8
– нитевидная; 9
– складчатая; 10
– неправильная;
11 – концентрическая; 12 – сложная
Рисунок 2 – Форма колонии
/ – гладкий; 2 – волнистый; 3 – зубчатый; 4 – лопастной; 5 – неправильный; 6 – реснитчатый; 7 – нитчатый; 8 – ворсинчатый; 9 – ветвистый
Рисунок 3 – Край колонии
1 – однородная; 2 – мелкозернистая; 3 – крупнозернистая;
4 – струйчатая; 5 – волокнистая
Рисунок 4 – Структура колонии
При описании роста микроорганизмов по штриху
отмечают следующие особенности: скудный, умеренный или обильный, сплошной
с ровным или волнистым краем, четковидный, напоминающий цепочки изолированных колоний, диффузный, перистый, древовидный, или ризоидный (рисунок 5). Характеризуют оптические свойства налета, его цвет, поверхность и консистенцию.
Для описания колоний и роста по штриху многие микроорганизмы часто выращивают на мясопептонном агаре. Применяют также мясопептонную желатину. Для лучшего рассмотрения глубинных колоний среды с агаром или желатиной рекомендуется осветлять.
1 – сплошной с ровным краем; 2 – сплошной с волнистым краем; 3 – четковидный; 4 – диффузный; 5 – перистый; 6 – ризоидный
Рисунок 5 – Рост бактерий по штриху
2.1.2. Рост в жидких питательных средах
Рост микроорганизмов в жидких питательных средах более однообразен и сопровождается помутнением среды, образованием пленки или осадка. Характеризуя рост микроорганизмов в жидкой среде, отмечают степень помутнения
(слабая, умеренная или сильная), особенности пленки
(тонкая, плотная или рыхлая, гладкая или складчатая),
а при образовании осадка указывают скудный он или обильный, плотный, рыхлый, слизистый или хлопьевидный.
Нередко рост микроорганизмов сопровождается появлением запаха, пигментацией среды, выделением газа. Последнее обнаруживают по образованию пены, пузырьков, а также с помощью «поплавков» – маленьких, запаянных с одного конца трубочек. Поплавок помещают
в пробирку запаянным концом вверх перед стерилизацией среды и следят, чтобы он полностью был заполнен средой. В случае выделения газа он скапливается в поплавке в виде пузырька.
Для описания характера роста микроорганизмов в жидких средах их выращивают на мясопептонном бульоне (МПБ) или на другой среде, обеспечивающей хороший рост.
2.2 Морфологическая характеристика
Морфологическая характеристика и организация клеток бактерий включает такие признаки, как форма и размеры клеток, их подвижность, наличие жгутиков и тип жгутикования, способность к спорооб-разованию. Полезным может оказаться также выявление в клетках
характерных мембранных систем (хлоросом, карбоксисом, фикобилисом, газовых вакуолей и т. д.), присущих отдельным группам бакте-
рий, а также включений (параспоральных телец, гранул волютина,
поли-β-гидроксибутирата, полисахаридов и т. д.). Первостепенное значение для систематики бактерий придается окраске клеток по Граму
и строению их клеточных стенок.
2.3 Физиолого-биохимические свойства
Изучение физиолого-биохимических свойств включает, прежде всего, установление способа питания исследуемой бактерии (фото/хемо-, авто/гетеротрофия) и типа энергетического метаболизма (способность к брожению , аэробному или анаэробному дыханию или фотосинтезу). Важно определить такие признаки, как отношение бактерии к молекулярному кислороду, температуре, рН среды, солености, освещенности и другим факторам среды. В данную группу признаков
входит также перечень субстратов, утилизируемых в качестве источников углерода, азота и серы, потребность в витаминах и других факторах роста, образование характерных продуктов метаболизма, наличие некоторых ферментов. Для этого используют специальные тесты.
Многие тесты, применяемые для обнаружения перечисленных признаков (их иногда называют рутинными тестами), важны для диагностики и широко используются в медицинской микробиологии. Их постановка требует значительных затрат времени, большого количества сложных сред и реактивов, соблюдения стандартных условий проведения, аккуратности выполнения. Для ускорения и облегчения процесса идентификации некоторых микроорганизмов, имеющих главным образом медицинское значение, разработаны различные тест-системы, например, системы Oxi/Ferm Tube, Mycotube и Enterotube II фирмы Hoffmann-La Roche (Швейцария) и др. Так, система Enterotube II, предназначенная для идентификации энтеробактерий, представляет собой пластиковую камеру с 12 ячейками, содержащими окрашенные диагностические среды. Засев всех сред производится поступательно-вращатель-ными движениями через камеру иглы с посевным материалом. Инкубацию проводят в течение 24 ч при температуре 37 ºС. О положительном или отрицательном результате теста судят по изменению цвета среды, разрыву агара (тест на газообразование) или после введения специальных реактивов (тест на образование индола, реакция Фогес–Проскау-эра). Каждый признак обозначают определенной цифрой, поэтому полученные данные можно ввести в компьютер с соответствующей программой и получить ответ о таксономическом положении исследуемого штамма.
Определение состава клеток бактерий также имеет значение для их систематики (хемосистематика). Хемотаксономические методы могут быть важными, в частности, для тех групп бактерий, у которых морфологические и физиологические характеристики широко варьируются и недостаточны для проведения их удовлетворительной идентификации. В состав клеточных стенок разных прокариот входит несколько классов уникальных гетерополимеров: муреин (или псевдомуреин), липополисахариды, миколовые и тейхоевые кислоты. Состав клеточной стенки определяет и серологические свойства бактерий. Это лежит в основе иммунохимических методов их идентификации.
В качестве хемотаксономического маркера иногда используют также липидный и жирнокислотный состав клеток бактерий. Интенсивное изучение жирных кислот стало возможным с развитием метода газохроматографического анализа. Различия в составе липидов используют для идентификации бактерий на уровне рода и даже вида. Этот метод, однако, имеет определенные ограничения, поскольку содержание жирных кислот в клетках может зависеть от условий культивирования и возраста культуры.
В систематике некоторых бактерий учитывается состав хинонов
и других переносчиков электронов, а также пигментов.
Важная информация о взаимном родстве бактерий может быть получена при изучении клеточных белков – продуктов трансляции генов. На основании изучения мембранных, рибосомных, суммарных клеточных белков, а также отдельных ферментов сформировалось новое направление – белковая таксономия. Спектры рибосомных белков относятся к числу наиболее стабильных и используются для идентификации бактерий на уровне семейства или порядка. Спектры мембранных белков могут отражать родовые, видовые и даже внутривидовые различия. Однако характеристики химических соединений клетки не могут использоваться для идентификации бактерий изолированно от других данных, описывающих фенотип, поскольку нет критерия оценки значимости фенотипических признаков.
Иногда для идентификации бактерий или других микроорганизмов, например дрожжей, используют метод нумерической (или адансоновской) таксономии . В ее основе лежат идеи французского ботаника М. Адансона (M. Adanson), предложившего различные фенотипические признаки, поддающиеся учету, считать равноценными, что позволяет количественно выразить таксономические дистанции между организмами в виде отношения числа положительных признаков к общему числу изученных. Сходство между двумя исследуемыми организмами определяется путем количественной оценки возможно большего числа (обычно не менее ста) фенотипических признаков, которые подбираются так, чтобы их варианты были альтернативными и могли обозначаться знаками «минус» и «плюс». Степень сходства устанавливается на основании количества совпадающих признаков и выражается в виде коэффициента соответствия S :
где a + d – сумма признаков, по которым штаммы А и В совпадают;
а – оба штамма с положительными признаками;
d – оба с отрицательными;
b – сумма признаков, по которым штамм А положителен, В отрицателен;
с – сумма признаков, по которым штамм А отрицателен, штамм В положителен.
Значение коэффициента соответствия может меняться от 0 до 1. Коэффициент 1 означает полную идентичность, 0 – полное несходство. Оценки комбинаций признаков производятся с помощью компьютера. Полученные результаты представляют в виде матрицы сходства и/или в виде дендрограммы. Нумерическая таксономия может применяться при оценке сходства между таксонами микроорганизмов только невысокого ранга (роды, виды). Она не позволяет делать непосредственные выводы относительно генетического родства микроорганизмов, однако в известной степени отражает их филогенетические свойства. Так, установлено, что фенотипические признаки бактерий, поддающиеся изучению в настоящее время, отражают от 5 до 20 % свойств их генотипа.
2.4 Изучение генотипа
Изучение генотипа микроорганизмов стало возможным в результате успешного развития молекулярной биологии и привело к возникновению геносистематики. Исследование генотипа, основанное на анализе нуклеиновых кислот, в принципе дает возможность построить со временем естественную (филогенетическую) систему микроорганизмов. Филогенетические взаимоотношения бактерий оценивают определением молярного содержания
гуанина и цитозина
(ГЦ) в ДНК, методами ДНК
–ДНК и ДНК
–рРНК-гибридизации, с помощью ДНК-зондов, а также изучением последовательности нуклеотидов в 5
S
,
J
6
S
и
23
S
рРНК
.
2.4.1 Определение молярного содержания ГЦ
Определение молярного содержания ГЦ от общего количества оснований ДНК у прокариот, как уже указывалось, колеблется от 25 до 75 %. Каждый вид бактерий имеет ДНК с характерным средним содержанием ГЦ. Однако поскольку генетический код вырожден, а генетическое кодирование основано не только на содержании нуклеотидных оснований в единицах кодирования (триплетах), но и на взаимном расположении, то одинаковое среднее содержание ГЦ в ДНК двух видов бактерий может сопровождаться их значительным генотипическим
разделением. Если два организма очень близки по нуклеотидному составу, то это может являться свидетельством их эволюционного родства только при условии, что они обладают большим числом общих фенотипических признаков или генетическим сходством, подтвержденным другими методами. В то же время расхождение (более 10…15 %) в нуклеотидном составе ДНК двух штаммов бактерий с общими фенотипическими свойствами показывает, что они относятся, по крайней мере, к разным видам.
2.4.2 Метод ДНК –ДНК-гибридизации
Данный метод является более важным для оценки генетического родства бактерий. При тщательном проведении экспериментов можно получить ценную информацию о степени их генетической гомологии. Внутри одного вида бактерий степень генетической гомологии штаммов достигает от 70 до 100 %. Однако если в результате эволюционной дивергенции последовательности нуклеотидных оснований геномов двух бактерий различаются в большей степени, то специфическая реассоциация ДНК–ДНК становится такой слабой, что не поддается измерению. В таком случае гибридизация ДНК–рРНК позволяет значительно увеличить круг организмов, у которых можно определить степень генетической гомологии благодаря тому, что на относительно небольшом участке бактериального генома, кодирующем рибосомные РНК, исходная последовательность оснований сохраняется значительно полнее, чем на других участках хромосомы. В итоге методом ДНК–рРНК-гибридизации часто обнаруживают довольно высокую гомологию геномов бактерий, у которых реассоциация ДНК–ДНК не выявляет заметной гомологии.
2.4.3 Метод ДНК-зондов (генных зондов)
Метод ДНК-зондов является разновидностью метода молекулярной гибридизации ДНК–ДНК. Реакция гибридизации ведется в этом случае не между двумя препаратами тотальной ДНК, а между фрагментом нуклеотидной последовательности ДНК (зондом), включающим ген (генетический маркер), ответственный за какую-то определенную функцию (например, устойчивость к какому-нибудь антибиотику), и ДНК изучаемой бактерии. Самым распространенным способом создания генных зондов является выделение специфических фрагментов путем молекулярного клонирования. Для этого вначале создают банк генов изучаемой бактерии расщеплением ее ДНК эндонуклеазами
рестрикции, а затем отбирают нужный клон из суммы фрагментов ДНК методом электрофореза с последующей проверкой генетических свойств этих фрагментов методом трансформации. Далее выбранный фрагмент ДНК лигируют в состав подходящей плазмиды (вектора),
а эту комбинированную плазмиду вводят в удобный для работы штамм бактерий (например, Escherichia
coli
).
Из биомассы бактерии, несущей ДНК-зонд, выделяют плазмидную ДНК и метят ее, например, радиоизотопной меткой. Затем осуществляют гибридизацию ДНК-зонда
с ДНК бактерии. Образовавшиеся гибридные участки проявляют методом авторадиографии. По относительной частоте гибридизации генетического маркера с хромосомой той или иной бактерии делают
заключение о генетическом родстве этих бактерий с исследуемым штаммом.
2.4.4 Метод анализа нуклеотидных последовательностей
в рибосомальных РНК
Для идентификации бактерий и создания филогенетической системы их классификации наиболее широкое распространение и значение получил метод анализа нуклеотидных последовательностей в рибосомальных РНК. Молекулы 5S, 16S и 23S рРНК содержат участки с самой высокой степенью генетической стабильности. Считают, что они находятся вне механизма действия естественного отбора и эволюционируют только в результате спонтанных мутаций, происходящих с постоянной скоростью. Накопление мутаций зависит только от времени, поэтому информация о нуклеотидной последовательности этих молекул считается наиболее объективной для определения филогенетического родства организмов на уровне от подвида до царства. В случае анализа
5S рРНК обычно определяют полную последовательность нуклеотидов, которая в этой молекуле у прокариот составляет 120 нуклеотидов. При исследовании 16S и 23S рРНК, содержащих 1500 и 2500 нуклеотидов соответственно, часто проводят анализ олигонуклеотидов, полученных из этих молекул с помощью специфических эндонуклеаз рестрикции. Наиболее широкое распространение получило изучение последовательности нуклеотидов в 16S рРНК. Изучение структуры 16S рРНК представителей разных микроорганизмов привело к выявлению среди прокариот группы архей. Значения коэффициента сходства SAB
,
отделяющие I6S рРНК бактерий и архей, лежат в пределах 0,1, в то время как значение SAB
,
равное 1,0, соответствует полной гомологии нуклеотидных последовательностей, а 0,02 – уровню случайного совпадения.
Все чаще для идентификации бактерий предлагают дендрограммы, показывающие взаимоотношения между бактериальными родами, видами или штаммами на основании изучения последовательности нуклеотидов (или олигонуклеотидов) в рРНК, а также ДНК–ДНК
и ДНК–рРНК гибридизации. Однако идентификация бактерий до родов на основании только генетических методов без предварительного изучения их фенотипических характеристик часто вообще невозможна. Поэтому лучшим подходом в работе по систематике бактерий считается изучение как генотипических, так и фенотипических свойств. В случае несоответствия между филогенетическими и фенотипическими данными приоритет временно отдают последним.
Особой проблемой является идентификация таких бактерий и архей, особенно морских видов, которые не способны расти на известных лабораторных питательных средах и для которых поэтому нельзя было получить чистую культуру. До недавнего времени эта проблема казалась неразрешимой. Однако около 15 лет назад были разработаны методы, позволившие экстрагировать, клонировать, секвенировать
и сравнивать рибосомные РНК прямо из окружающей среды. Это позволило точно сосчитать и идентифицировать микроорганизмы, населяющие данный биотоп без их выделения в чистую культуру. Идентифицированный таким образом «некультивируемый» в лаборатории микроорганизм может быть даже описан, но с присоединением слова «candidatus» (кандидат). Слово «candidatus» будет сопровождать новый вид до тех пор, пока учеными не будут найдены условия культивирования этого организма в лаборатории и не будет получена его чистая культура, что позволит изучить все его свойства и опубликовать в качестве узаконенного.
Идентификацию бактерий проводят обычно с помощью «Определителя бактерий Берджи» (Bergey"s Manual of Determinative Bacteriology). Первое издание этого пособия было осуществлено в 1923 г. под руководством известного американского бактериолога Д. Берджи (D. H.Bеrgey, 1860–1937). С тех пор оно регулярно переиздается с участием ведущих ученых-микробиологов мира. В последнем, девятом издании определи, все бактерии разделены на 35 групп по легко определяемым фенотипическим признакам. Эти признаки вынесены
в названии групп. Таксономическое положение бактерий внутри групп определяется с помощью таблиц и ключей, составленных на основе небольшого числа фенотипических признаков. Дифференцировочные таблицы для дифференциации видов бактерий некоторых родов, например рода Bacillus
,
не приводятся, а читатель отсылается к «Руководству Берджи по систематике бактерий».
В четырехтомном «Руководстве Берджи по систематике бактерий» (Bergey"s Manual of Systematic Bacteriology, 1984–1989) содержится более полная информация о таксономическом положении бактерий. Для каждой группы бактерий дается описание входящих в него родов
и видов, в том числе с неясным таксономическим статусом. Помимо подробного фенотипического описания, включающего морфологию, организацию и химический состав клеток, антигенные свойства, вид колоний, особенности жизненного цикла и экологии, в характеристике родов приводятся также сведения о содержании ГЦ в ДНК, результатах гибридизации ДНК–ДНК и ДНК–рРНК. Ключи и таблицы позволяют идентифицировать бактерии не только до рода, но и до вида.
В настоящее время вышло в свет второе издание четырехтомного «Руководства Берджи по систематике бактерий» (Bergcy"s Manual of Systematic Bacteriology). В 2002 г. вышел первый том. Кроме этого имеется ряд статей и книг, в которых предлагаются оригинальные ключи для идентификации отдельных групп бактерий, например, бацилл, псевдомонад, актиномицетов, энтеробактерий.
В настоящее время накопилось много новых данных, в том числе полученных в результате анализа нуклеотидных последовательностей рибосомальных РНК, об изученных ранее и вновь выделенных видах бактерий. На основании этих сведений видовой состав некоторых групп бактерий, например рода Bacillus , будет пересмотрен: часть видов останется в составе рода Bacillus , а некоторые образуют новые роды или будут отнесены к другим, уже существующим родам бактерий. Следует отметить также, что для описания новых штаммов бактерий изучают, как правило, больше признаков, чем необходимо для их идентификации, так как ключи и таблицы включают не все признаки идентифицируемых бактерий, а только те, которые отличаются у разных видов (таблица 1).
Таблица 1 – Минимальный перечень данных, необходимых для
описания новых штаммов бактерий (по H. Truper, K. Schleifer, 1992)
Свойства | Основные признаки | Дополнительные признаки |
Морфология клеток | Форма; размер; подвижность; внутри - и внеклеточные структуры; взаимное расположение клеток; клеточная дифференцировка; тип клеточного деления; ультраструктура клетки | Цвет; характер жгутикования; споры; капсулы; чехлы; выросты; жизненный цикл; гетероцисты; ультраструктура жгутиков, оболочки и клеточной стенки |
Продолжение таблицы 1
Характер роста | Особенности роста на плотных и в жидких питательных средах; морфология колоний | Цвет колоний, суспензии |
Кислотоустойчивость; окраска спор, жгутиков |
||
Состав клетки | Состав ДНК; запасные вещества | Гомология нуклеиновых кислот; клеточные пигменты; состав клеточной стенки; типичные ферменты |
Физиология | Отношение к температуре; к рН среды; тип метаболизма (фототроф, хемотроф, литотроф, органотроф); отношение к молекулярному кислороду; акцепторы электронов; источники углерода; источники азота; источники серы | Потребность в солях или осмотических факторах; потребность в факторах роста; типичные продукты метаболизма (кислоты, пигменты, антибиотики, токсины); устойчивость к антибиотикам |
Экология | Условия обитания | Патогенность; круг хозяев; образование антигенов; серология; восприимчивость к фагам; симбиоз |
3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ИДЕНТИФИКАЦИЯ
МИКРООРГАНИЗМОВ»
Цель работы: знакомство с основными принципами определения микроорганизмов. В процессе выполнения лабораторной работы каждый студент изучает свойства бактерий, необходимые для описания бактериального штамма и идентификации его до уровня рода.
Задания
1. Определить чистоту идентифицируемой бактерии и изучить морфологию ее клеток.
2. Описать культуральные свойства.
3. Изучить цитологические свойства идентифицируемых бактерий.
4. Изучить физиолого-биохимические свойства идентифицируе-мых бактерий.
5. Определить чувствительность бактерий к антибиотикам.
6. Заполнить таблицу и подвести итоги.
3.1 Определение чистоты идентифицируемой бактерии
и изучение морфологии ее клеток
Для проведения работы по идентификации микроорганизмов каждый студент получает одну культуру бактерий (на скошенной агаризованной среде в пробирке), которую затем проверяет на чистоту. Это осуществляют несколькими способами: визуально, высевом на питательные среды и микроскопией.
Характер роста
полученной бактерии просматривают по штриху на поверхности скошенной агаризованной среды. Если рост по штриху неоднороден, то культура загрязнена. Затем культуру отсевают в пробирку на скошенную среду (мясопептонный агар) для использования
в дальнейшей работе, а также делают рассев на поверхность твердой среды в чашке Петри методом истощающего штриха для проверки на чистоту (по однородности выросших колоний). Засеянные пробирки и чашки помещают в термостат при температуре 30 ºС на время от 2 до 3 суток. Остаток исходной культуры бактерии в пробирке используют для проверки на чистоту методом микроскопии (по морфологической однородности популяции), а также для изучения формы, взаимного расположения, подвижности клеток и их размеров. Микроскопируют культуру с использованием препаратов «раздавленная капля» и препарата фиксированных, окрашенных фуксином клеток. Результаты вносят в таблицу, составленную по форме таблицы 2.
Таблица 2 – Свойства идентифицируемой бактерии
Свойства | Признаки | Результаты |
Культуральные свойства | ||
Размер, мм | ||
Поверхность | ||
Структура | ||
Консистенция | ||
Морфология клеток и | Форма и расположение клеток | |
Подвижность | ||
Наличие эндоспор | ||
Окраска по Граму | ||
Окраска на кислотоустойчивость | ||
Физиолого-биохимические свойства | Отношение к молекулярному кислороду | |
Рост на среде с глюкозой | ||
Рост на среде с желатиной | ||
Рост на среде с молоком | ||
Рост на среде с крахмалом | ||
Тест на каталазу | ||
Чувствительность к антибиотикам |
3.2 Культуральные свойства
На следующем занятии просматривают чашку Петри, засеянную суспензией идентифицируемой бактерии. Критерием чистоты культуры является однородность выросших колоний. Описывают культуральные свойства бактериальных колоний в соответствии с разде-
лом 2.1 и результаты вносят в таблицу 2.
3.3 Изучение цитологических свойств идентифицируемых бактерий
3.3.1 Наличие эндоспор
Небольшое количество клеток с твердой среды помещают петлей на предметное стекло в каплю водопроводной воды и делают мазок. Мазок высушивают на воздухе, фиксируют в пламени горелки и наносят на него 5%-ный раствор хромовой кислоты. Через 5...10 мин ее смывают водой. Препарат накрывают полоской фильтровальной бумаги и обильно смачивают бумагу карболовым фуксином Циля. Подогревают препарат над пламенем до появления паров (не до кипения), затем отводят его в сторону и добавляют новую порцию красителя. Эту процедуру проводят в течение 7 мин. Важно, чтобы краситель испарялся, но бумага не подсыхала. После охлаждения ее снимают, препарат промывают водой и тщательно промокают фильтровальной бу-магой.
Если все операции проделаны правильно, окраска получается контрастной, и ярко-красные споры четко выделяются на голубом фоне цитоплазмы.
3.3.2 Окраска по Граму
3.3.2.1 На обезжиренном предметном стекле в капле воды делают тонкий мазок, чтобы клетки равномерно распределялись по поверхности стекла и не образовывали скоплений.
3.3.2.2 Препарат высушивают на воздухе, фиксируют над пламенем горелки и окрашивают в течение 1...2 мин карболовым генциановым или кристаллическим фиолетовым.
3.3.2.3 Затем краситель сливают и мазки обрабатывают 1…2 мин раствором Люголя до почернения.
3.3.2.4 Сливают раствор Люголя, препарат обесцвечивают в течение 0,5…1,0 мин 96%-ным этиловым спиртом и быстро промывают водой.
3.3.2.5 Дополнительно окрашивают в течение 1…2 мин водным фуксином.
3.3.2.6 Краситель сливают, препарат промывают водой и высушивают.
3.3.2.7 Микроскопируют с иммерсионной системой.
При правильном окрашивании грамположительные бактерии имеют сине-фиолетовый, грамотрицательные – розово-красный цвет.
Для получения достоверных результатов необходимо готовить мазки для окраски по Граму из молодых, активно растущих (обычно односуточных) культур, так как клетки из старых культур иногда дают неустойчивую реакцию по Граму. Грамотрицательные бактерии могут выглядеть как грамположительные, если бактериальная пленка (мазок) слишком толста и обесцвечивание спиртом не проведено до конца. Грамположительные бактерии могут выглядеть как грамотрицательные, если мазок переобесцвечен спиртом.
3.3.3 Окраска на кислотоустойчивость
На обезжиренном предметном стекле в капле воды готовят мазок исследуемой бактерии. Препарат высушивают на воздухе и фиксируют над пламенем горелки. На мазок помещают фильтровальную бамагу, заливают препарат карболовым фуксином Циля и 2–3 раза подогревают его до появления паров, держа предметное стекло с помощью пинцета высоко над пламенем горелки. За появлением паров наблюдают, глядя на мазок сбоку, и при их появлении тотчас отставляют
препарат в сторону. Дают препарату остыть, снимают фильтроваль-ную бумагу, сливают краситель и мазок промывают водой. Затем
клетки обесцвечивают 5%-ным раствором кислоты Нhttps://pandia.ru/text/79/131/images/image009_42.gif" width="11" height="23 src=">. Для этого предметное стекло погружают 2–3 раза в стакан с серной кислотой,
не задерживая его в ней. Препарат вновь тщательно промывают водой и докрашивают от 3 до 5 мин метиленовым синим (по Леффлеру). Краску сливают, препарат промывают водой, высушивают и рассматривают с иммерсионной системой. При правильном окрашивании клетки кислотоустойчивых бактерий имеют красный цвет, а некислотоустойчивых – синий.
3.3.4 Определение подвижности
Делают посев исследуемой культуры в столбик 0,2…0,5%-ного полужидкого агара методом укола. Для того чтобы особенности роста проявились наиболее четко, прокол делают в непосредственной близости от стенки пробирки. Посев ставят в термостат на 24 часа. Произведенный таким образом посев дает возможность выявить и отделить подвижные микроорганизмы от неподвижных.
Неподвижные формы бактерий растут по линии укола, образуя небольшие выросты цилиндрической или конической формы. Окружающая среда при этом остается совершенно прозрачной. Подвижные микробы при таком посеве вызывают выраженное помутнение, распространяющееся более или менее равномерно по всей толще среды.
3.4 Изучение физиолого-биохимических свойств
идентифицируемых бактерий
3.4.1 Отношение к молекулярному кислороду
По отношению к молекулярному кислороду микроорганизмы делят на четыре группы: облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные аэробы (анаэробы) и облигатные анаэробы
. Чтобы судить
о принадлежности микроорганизмов к той или иной группе, микробную суспензию высевают в пробирки с расплавленной и остуженной до температуры 45 ºС агаризованной питательной средой. Посев можно проводить и уколом. Строгие аэробы
растут на поверхности среды и в верхнем слое, микроаэрофилы
– на некотором расстоянии от поверхности. Факультативные анаэробы
обычно развиваются по всей толще среды. Строгие анаэробы
растут только в глубине среды, у самого дна пробирки (рисунок 6).
|
1 – аэробы; 2 – микроаэрофилы; 3 – факультативные анаэробы;
4 – анаэробы
Рисунок 6 – Рост микроорганизмов при посеве уколом (а ) и при посеве в расплавленную плотную среду (б )
3.4.2 Рост на среде с глюкозой и пептоном
Культуру вносят стерильной петлей в жидкую среду, содержащую: 5,0 г/л пептона, 1,0 г/л К2НР04, 10,0 г/л глюкозы, 2 мл бромтимолового синего (1,6%-ного спиртового раствора), дистиллированную воду, разлитую в пробирки (по 8…10 мл) с поплавками. Продолжительность культивирования 7 сут в термостате при температуре 30 °С. Рост микроорганизмов или его отсутствие определяют по помутнению среды, образованию пленки или осадка. Изменение цвета индикатора (бромтимолового синего) указывает на образование кислых (желтая окраска среды) или щелочных (синяя окраска среды) продуктов метаболизма. Об образовании газа свидетельствует накопление его в поплавке. Результаты наблюдений сравнивают со стерильной средой.
3.4.3 Рост на среде с желатиной
Активность у микроорганизмов внеклеточных протеолитических ферментов определяют, используя в качестве субстрата желатину, казеин или другие белки. Среда с желатиной состоит из мясопептонного бульона (МПБ) и 10…15 % желатины (МПЖ). Посев проводят уколом.
Бактериологической иглой стерильно отбирают клетки микроорганизмов с косяка и вводят иглу в толщу столбика МПЖ до дна пробирки.
Продолжительность культивирования от 7 до 10 суток при комнатной температуре. Разжижение желатины отмечают визуально. Если желатина разжижается, указывают интенсивность и форму разжижения – послойное, воронкообразное, мешковидное, кратеровидное, реповидное, пузыревидное.
3.4.4 Рост на среде с молоком
Высев на «молочный агар» в чашки Петри производят для определения способности бактерий разлагать казеин молока. Среда состоит из равных частей стерильного обезжиренного молока и стерильного 3%-ного водного агар-агара. Бактерии высевают петлей, проводя штрих по диаметру чашки или по центру сектора, на которые разделена чашка. Продолжительность культивирования бактерий в термостате при температуре 30 °С составляет 7 сут. Гидролиз казеина обнаруживают по зоне просветления среды вокруг колоний или выросшей по штриху культуры микроорганизмов. Особенно четко зона видна после обработки среды с выросшими бактериями раствором 5%-й трихлоруксусной кислоты. Зону гидролиза казеина измеряют в миллиметрах от края штриха или колонии до границы светлой зоны. Чем больше диаметр светлой зоны, тем выше казеинолитическая активность бак-терий.
3.4.5 Рост на среде с крахмалом
Высев на агаризованную среду с крахмалом (в чашки Петри), содержащую (г/л): пептон – 10,0; КН2Р04 – 5,0; растворимый крахмал – 2,0; агар – 15,0; рН 6,8 – 7,0, производят для определения образования микроорганизмами амилазы. Бактерии высевают петлей, проводя штрих по диаметру чашки или по центру сектора, на которые разделена чашка. Продолжительность культивирования бактерий 7 сут в термостате при температуре 30 °С. Гидролиз крахмала обнаруживают после обработки среды с выросшими бактериями раствором Люголя. Для этого на поверхность среды наливают от 3 до 5 мл раствора Люголя. Среда, содержащая крахмал, окрашивается в синий цвет, а зона гидролиза остается бесцветной или приобретает красно-бурую окраску, если крахмал гидролизовался до декстринов. Зону гидролиза крахмала измеряют от края штриха (колонии) до границы светлой зоны (мм). Чем больше диаметр светлой зоны, тем выше активность амилазы.
3.4.6 Тест на каталазу
Часть выросшей культуры суспензируют с помощью бактериологической петли в капле 3%-ной перекиси водорода на предметном стекле. О наличии каталазы свидетельствует образование пузырьков газа, наблюдаемое через 1…5 мин после внесения бактерий невооруженным глазом или под микроскопом при малом увеличении. Можно нанести несколько капель перекиси водорода непосредственно на колонию или на культуру, выросшую на скошенном агаре, и наблюдать выделение молекулярного кислорода.
3.4.7 Определение чувствительности бактерий
к антибиотикам
Чувствительность микроорганизмов к антибиотикам удобно определять с помощью готовых бумажных дисков, пропитанных определенными антибиотиками. Исследуемые микроорганизмы выращивают на соответствующей плотной питательной среде. Готовят в стерильной водопроводной воде густую суспензию изучаемого микроорганизма путем смыва клеток водой с поверхности твердой питательной среды. Работая около пламени горелки, вносят 1 мл полученной суспензии
в пробирку с 20 мл расплавленной и остуженной до температуры 50 ºС агаризованной среды, например, с мясопептонным агаром (МПА). Если микроорганизмы выращивали в жидкой питательной среде, то в агар вносят соответствующий объем культуры. Содержимое пробирки быстро и тщательно перемешивают и переливают в стерильную чашку Петри.
Когда среда застынет, на ее поверхность помещают бумаж-
ные диски на равном расстоянии друг от друга и на расстоянии
1,5…2,0 см от края чашки. Чашки Петри выдерживают 2 часа при комнатной температуре для лучшей диффузии антибиотиков в толщу агаризованной среды, а затем, не переворачивая, помещают в термостат на 24 ч при температуре 30 ºС. Через сутки отмечают образование зон подавления роста исследуемых микроорганизмов вокруг дисков. Если исследуемая бактерия чувствительна к определенным антибиотикам, то вокруг дисков обнаруживаются зоны отсутствия роста культуры. Диаметр зоны подавления роста измеряют миллиметровой линейкой и записывают результаты в таблицу 3. Зона более 30 мм свидетельствует
о высокой чувствительности микроорганизмов к антибиотику, а менее 12 мм – о слабой чувствительности.
Когда в распоряжении экспериментатора имеются растворы
антибиотических веществ или культуральные жидкости, содержащие
антибиотик, используют метод с применением лунок в толще агара.
В этом случае в застывшей агаризованной среде, засеянной испытуемым микроорганизмом, стерильным пробочным сверлом (диаметр от 6 до 8 мм) делают лунки на расстоянии 1,5…2,0 см от края чашки.
В лунки вносят растворы антибиотиков или культуральную жидкость. Этот метод позволяет также выявить способность к образованию антибиотических веществ микроорганизмами, выращенными в жидкой среде.
Таблица 3 – Действие антибиотиков на рост бактерий
Антибиотик | Диаметр зон подавления роста, мм |
Диск с пенициллином | |
Диск с левомицетином |
4 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определения следующих терминов:
– штамм; аутентичный штамм; типовой штамм;
– колония;
– культуральные свойства;
– таксономия;
– классификация;
– номенклатура;
– плазмида;
– фаготипирование.
2. Какие разделы включает систематика микроорганизмов? Дайте их характеристику.
3. Почему существующие системы классификации микроорганиз - мов носят искусственный характер?
5. По каким признакам различаются разные штаммы одного вида микроорганизма?
6. Какие таксономические категории микроорганизмов относят к обязательным, а какие к необязательным?
7. Перечислите основные правила номенклатуры микроорганиз - мов.
8. В чем состоит основная цель идентификации микроорганизмов?
9. Чем различаются принципы классификации и идентификации разных групп прокариот и эукариот?
10. Какие свойства изучают при описании и идентификации бактерий?
11. Какие признаки учитывают при описании поверхностных, глубинных и донных колоний микроорганизмов?
12. Какие особенности отмечают при описании роста микроорга - низмов по штриху?
13. Что отмечают, характеризуя рост микроорганизмов в жидкой питательной среде?
14. Какие признаки включает морфологическая характеристика и организация клеток бактерий?
15. Какие физиолого-биохимические свойства изучают при идентификации бактерий?
16. В каких случаях необходимо использовать хемотаксономи - ческие методы?
17. Приведите примеры веществ, используемых в качестве хемо - таксономических маркеров?
18. В чем особенности белковой таксономии?
19. Охарактеризуйте метод нумерической таксономии, какие ограничения он имеет?
20. Какими методами оценивают филогенетические взаимоотно - шения бактерий?
21. В чем суть метода ДНК-зондов и его отличие от метода
ДНК–ДНК-гибридизации?
22. Каковы особенности метода анализа нуклеотидных последо - вательностей в рибосомальных РНК?
23. Какие признаки положены в основу классификации бактерий в «Определителе бактерий Берджи»?
24. Какие свойства и признаки изучают при описании новых штаммов бактерий?
25. Какими способами определяют чистоту идентифицируемой бактерии?
26. Каковы основные правила выполнения методики окраски по Граму?
27. На какие группы делят микроорганизмы по отношению к молекулярному кислороду?
28. Что используют в качестве субстрата при определении активности внеклеточных протолитических ферментов у микроорганизмов?
29. Какие методы определения чувствительности микроорганиз - мов к антибиотикам вы знаете, дайте их характеристику.
30. Каким методом определяют образование микроорганизмами амилазы?
31. Каким образом произведенный посев дает возможность выявить и отделить подвижные микроорганизмы от неподвижных?
5 РЕЦЕПТЫ КРАСИТЕЛЕЙ И ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД
5.1 Фуксин основной карболовый (фуксин Циля)
– 5%-ный водный раствор свежеперегнанного фенола – 100 мл;
– насыщенный спиртовой раствор фуксина основного – 10 мл;
Приготовленную смесь через 48 ч отфильтровывают.
5.2 Метиленовый синий (по Леффлеру)
– насыщенный спиртовой раствор метиленового синего – 30 мл;
– вода дистиллированная – 100 мл;
– 1%-ный водный раствор КОН – 1 мл.
5.3 Мясопептонный бульон (МПБ)
500 г мясного фарша без жира и сухожилий заливают 1 л водопроводной воды и экстрагируют при комнатной температуре 12 ч или в термостате при температуре 37 ºС – 2ч, а при температуре 50 ºС – один час. Затем мясо отжимают через марлю, и полученный настой кипятят 30 мин. При этом свертываются белки. Остывшую массу фильтруют через ватный фильтр и доливают водой до первоначального объема. Далее к 1 л мясного бульона добавляют от 5 до 10 г пептона и 5 г поваренной соли. Среду нагревают до растворения пептона, постоянно помешивая. МПБ стерилизуют при давлении 2 атм 20 минут.
5.4 Мясопептонный агар (МПА)
К 1 л МПБ добавляют 20 г агара. Среду нагревают до раство-рения агара, затем устанавливают слабощелочную реакцию среды
20%-ным раствором NaCO64" height="52" bgcolor="white" style="vertical-align:top;background: white">
Loading...