Характеристика общих свойств микроорганизмов

Характеристика общих свойств микроорганизмов

1. Характеристика схожести и отличия прокариотических и эукариотических клеток

Обоснование того, что прокариотный и эукариотный типы клеточной организации являются наиболее существенной границей, разделяющей все клеточные формы жизни, связано с работами Р. Стейниера (R. Stanier, 1916--1982) и К. ван Ниля, относящимися к 60-м гг. Поясним разницу между прокариотами и эукариотами. Клетка -- это кусочек цитоплазмы, отграниченный мембраной. Последняя под электронным микроскопом имеет характерную ультраструктуру: два электронно-плотных слоя каждый толщиной 2,5--3,0 нм, разделенных электронно-прозрачным промежутком. Такие мембраны получили название элементарных. Обязательными химическими компонентами каждой клетки являются два вида нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белки, липиды, углеводы. Цитоплазма и элементарная мембрана, окружающая ее, -- непременные и обязательные структурные элементы клетки. Это то, что лежит в основе строения всех без исключения клеток. Изучение тонкой структуры выявило существенные различия в строении клеток прокариот (бактерий и цианобактерий) и эукариот (остальные макро- и микроорганизмы).

Прокариотная клетка отличается тем, что имеет одну внутреннюю полость, образуемую элементарной мембраной, называемой клеточной, или цитоплазматической (ЦПМ). У подавляющего большинства прокариот ЦПМ -- единственная мембрана, обнаруживаемая в клетке. В эукариотных клетках в отличие от прокариотных есть вторичные полости. Ядерная мембрана, отграничивающая ДНК от остальной цитоплазмы, формирует вторичную полость. Наружные мембраны хлоропластов и митохондрий, окружающие заключенные в них функционально специализированные мембраны, играют аналогичную роль. Клеточные структуры, ограниченные элементарными мембранами и выполняющие в клетке определенные функции, получили название органелл. Ядро, митохондрий, хлоропласты -- это клеточные органеллы. В эукариотных клетках помимо перечисленных выше есть и другие органеллы.

В клетках прокариот органеллы, типичные для эукариот, отсутствуют. Ядерная ДНК у них не отделена от цитоплазмы мембраной. В цитоплазме находятся функционально специализированные структуры, но они не изолированы от цитоплазмы с помощью мембран и, следовательно, не образуют замкнутых полостей. Эти структуры могут быть сформированы и мембранами, но последние не замкнуты и, как правило, обнаруживают тесную связь с ЦПМ, являясь результатом ее локального внутриклеточного разрастания. В клетках прокариот есть также образования, окруженные особой мембраной, имеющей иное по сравнению с элементарной строение и химический состав.

Таким образом, основное различие между двумя типами клеток -- существование в эукариотной клетке вторичных полостей, сформированных с участием элементарных мембран. Сопоставление некоторых черт клеточной организации прокариотных и эукариотных организмов представлено в таблица 1. Сопоставление некоторых черт прокариотной и эукариотной клеточной организации:

Признак	Прокариотная клетка	Эукариотная клетка
Организация генетического материала	нуклеоид (ДНК не отделена от цитоплазмы мембраной), состоящий из одной хромосомы; митоз отсутствует	ядро (ДНК отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой), содержащее больше одной хромосомы; деление ядра путем митоза
Локализация ДНК	в нуклеоиде и плазмидах, не ограниченных элементарной мембраной	в ядре и некоторых органеллах
Цитоплазматические органеллы	отсутствуют	имеются
Рибосомы в цитоплазме	70S-типа	80S-типа
Цитоплазматические органеллы	отсутствуют	имеются
Движение цитоплазмы	отсутствует	часто обнаруживается
Клеточная стенка (там, где она имеется)	в большинстве случаев содержит пептидогликан	пептидогликан отсутствует
Жгутики	нить жгутика построена из белковых субъединиц, образующих спираль	каждый жгутик содержит набор микротрубочек, собранны в группы: 2·9-2

В связи с тем что прокариотная и эукариотная организация клеток принципиально различна, было предложено только на основании этого признака выделить все прокариоты в особое царство. Р. Меррей (R. Murray) в 1968 г. предложил все клеточные организмы разделить на две группы по ТИПУ их клеточной организации: царство Prokaryotae, куда вошли все организмы с прокариотным строением клетки, н царство Eukaryotae, куда включены все высшие протисты, растения и животные.

Р. Виттэкер (R. Whittaker) предложил схему, по которой все живые организмы, имеющие клеточное строение, представлены разделенными на пять царств (рис. 2). Такая система классификации живого мира отражает три основных уровня его клеточной организации: Monera включает прокариотные организмы, находящиеся на самом примитивном уровне клеточной организации; Protista -- микроскопические, в большинстве своем одноклеточные, недифференцированные формы жизни, сформировавшиеся в результате качественного скачка в процессе эволюции, приведшего к возникновению эукариотных клеток; многоклеточные эукариоты представлены в свою очередь тремя царствами Plantae, Fungi и Animalia.

Три последние таксономические группы различаются по способу питания: фототрофный тип питания за счет процесса фотосинтеза характерен для растений (Plantae): грибы (Fungi) в основном характеризуются осмотрофным типом питания, т. е. питанием растворенными органическими веществами; животные (Animalia) осуществляют голозойное питание, заключающееся в захватывании и переваривании твердой пищи. Способы питания, специфические для растений и грибов, возникли в процессе эволюции на уровне Monera. На уровне Protista они получили свое дальнейшее развитие; здесь же сформировался третий тип питания -- голозойный.

Не берясь судить о целесообразности деления живой природы на пять или шесть царств, можно с определенностью утверждать, что обособление прокариотных микроорганизмов в отдельное царство Prokaryotae правомерно, поскольку основано на принципиальных различиях в структуре прокариотных и эукариотных клеток, т. е. тех единиц, из которых построены все клеточные формы жизни.

2. Характеристика морфологических и структурных признаков бактерий Firmicutes и gracilicutes

Firmicutes - тип бактерий, большинство из которых грамм-положительные. Некоторые (класс Mollicutes), совсем не имеют клеточной стенки и не красятся за Граммом, но не имеют и внешней мембраны, найденной в других грамм-отрицательных формах. Сначала к Firmicutes включали всех грамм-положительных бактерий, но сейчас они ограничиваются основной группой связанных форм, так называемой группой низкого содержимого G+C, в отличие от Actinobacteria. Они имеют круглые клетки, которые называют коками (хотя некоторые представители имеют палочковидные и спиральные формы).

Електронна мікрофотографія колонії

Staphylococcus aureus

Много Firmicutes образовывают эндоспоры, которые есть очень стойкими к высушиванию и могут выдерживать экстремальные условия. Они найдены в разных окружающих средах, некоторые из них - известные патогены. Члены одной семьи, Heliobacteriaceae, получают энергию через фотосинтез.

Группа традиционно делилась на Clostridia (преимущественно анаэробы), Bacilli (облигатные или факультативные аэробы), и Mollicutes. На молекулярных деревьях первые две группы часто показываются как парафилетические или полифилетические к их основным родам, Clostridium и Bacillus, хотя поддержка этих данных слабая. Возможно, позднее эти группы будут пересмотрены.

Наиболее известные роды Firmicutes включают:

Bacilli, ряд Bacillales

Bacillus

Listeria

Staphylococcus

Bacilli, ряд Lactobacillales

Enterococcus

Lactobacillus

Lactococcus

Leuconostoc

Streptococcus

Clostridia

Acetobacterium

Clostridium

Eubacterium

Heliobacterium

Heliospirillum

Sporomusa

Mollicutes

Mycoplasma

Spiroplasma

Ureaplasma

Erysipelothrix

Способность образовывать более или менее терморезистентные споры, за немногими исключениями, ограничивается группой палочек, большинство из которых имеет перитрихально расположенные жгутики. Это грам-положительные бактерии. Аэробные и факультативно-анаэробные палочки сведены в роды Bacillus, Sporolactobacillus и Sporosarcina, а анаэробные роды Clostridium и Desulfotomaculum. Многие спорообразую-шие виды хорошо известны благодаря своим биохимическим особенностям. Здесь будут рассмотрены лишь некоторые представители больших родов Bacillus и Clostridium.

Рис. 2. Схематическое изображение типичных форм спорообразующих клеток. 1 -центрально расположенная спора, которая не увеличивает размера материнской клетки (Bacillus megaterium); 2-терминальная спора, не увеличивающая размеров материнской клетки (Bacillus thuringiensis), с белковыми включениями; 3 - терминальная спора, расширившая материнскую клетку булавовидно (Bacillus macerans); 4-центральная спора, придающая материнской клетке веретенообразную (клостридиеподобную) форму (Bacillus polymyxa); 5-круглая терминальная спора, придавшая материнской клетке форму барабанной палочки (плектри-диальную форму) (Bacillus sphaericus); 6-латеральная спора; материнская клетка увеличилась в размерах, приняв форму веретена (Bacillus laterosporus).

Аэробные спорообразующие бактерии. Бактерии этого типа обитают в почве. Многие бациллы образуют цепочки клеток или нити. По форме спор и материнских клеток (рис. 3.6) бациллы могут быть разделены на три группы:

(I) Споры овальные или цилиндрические, не толще материнской клетки. Таковы споры большинства бацилл (В. megaterium, В. cereus, В. subtilis, В. licheniformis, B. anthracis, B. thuringiensis).

(II) Овальные споры шире материнской клетки; они «раздувают» клетку изнутри в ходе споруляции (В. polymyxa, В. macerans, В. stearothermophilus, В. circulans).

(III) Почти круглая спора в набухшем конце материнской клетки (В. pasteurii).

I. Bacillus megaterium с клетками величиной 2x5 мкм является гигантом среди эубактерий. Несколько меньше В. cereus; к этому виду теперь причисляют также вариант, получивший название «mycoides» за грибовидный рост на поверхности агара (В. cereus var. mycoides). Существуют «право- и левозакрученные» штаммы, но общий вид колоний очень типичен. В близком родстве с В. cereus находятся возбудитель сибирской язвы В. anthracis, который не имеет жгутиков и окружен капсулой из глутаминовой кислоты, и патогенная для насекомых бактерия В. thuringiensis. Вид Bacillus subtilis, получивший название «сенной палочки» (так как накопительные культуры получают из сенного экстракта), а также В. licheniformis образуют полипептидные антибиотики. Вторая из названных бацилл способна расти, получая энергию не только за счет кислородного дыхания, но также за счет брожения и анаэробного нитратного дыхания.

П. Бактерия В. polymyxa (ранее называвшаяся В. asterosporus) получила нынешнее свое название из-за того, что образует большое количество слизи (а также боченкообразные, в поперечном сечении звездчатые споры). Как и В. licheniformis, она образует 2,3-бутандиол. В. stеarothermophilus - выраженный термофил (температурный оптимум для роста 50-65°С).

III. Вид В. pasteurii известен как классический пример бациллы, разлагающей мочевину; он конститутивно синтезирует уреазу, гидролизует мочевину до С02 и аммиака и приспособлен к высоким значениям рН. По своей физиологии с ним сходна Sporosarcina ureae, которая в морфологическом отношении, собственно, относится к сарцинам, но по основным физиологическим признакам должна быть отнесена к бациллам (аэроб; образует терморезистентные споры, содержащие дипиколино-вую кислоту).

Анаэробные спорообразующие бактерии. Для роста этих бактерий кислород не нужен. Виды, объединенные в род Clostridium, как правило, не имеют цитохромов и каталазы. Из-за высокого содержания флавиновых ферментов многие клостридии при контакте с кислородом воздуха образуют перекись водорода, которая оказывает на их клетки токсическое действие. Ввиду того что сульфатредуцирующие бактерии, образующие споры, содержат протогеминовые пигменты, их выделили из рода Clostridium в новый род Desulfotomaculum (D. nitrificans, D. orientis, D. ruminis). У анаэробных спорообразующих бактерий спора обычно значительно шире, чем вегетативная клетка. Материнская клетка в зависимости от положения споры может иметь различную форму.

Клостридии сбраживают большое число субстратов, включая полисахариды, белки, аминокислоты и пурины. По предпочитаемым субстратам можно различать сахаролитические клостридии (например, Clostridium butyricum, С. acetobutylicum, С. cellulosae-dissolvens), пептолитические клостридии (С. histolyticum, С. sporogenes, С. tetani, С. botulinum) и клостридии, разлагающие мочевую кислоту (С. acidi-urici). Продуктами брожения являются бутират, бутанол, ацетон, 2-пропанол и во многих случаях большие количества газа (Н2, С02). С. Pasteurianum и многие другие сахаролитические клостридии фиксируют молекулярный азот. С. aceticum превращает фруктозу или смесь С02 и молекулярного водорода в ацетат.

В качестве дополнения следует указать на Oscillospira guilliermondii--необычно крупную (5 х 100 мкм) анаэробную бактерию, разделяющуюся на клетки и образующую споры. Ее часто находят в слепой кишке морской свинки и в рубце жвачных.

ОТДЕЛ GRACILICUTES

Протеобактерии (proteobacteria) это одна из основных групп бактерий. Они насчитывают большое количество патогенов, таких как кишечная палочка (E.coli), сальмонела (Salmonella), вибрион (Vibrio), чумная палочка (Yersinia pestis), Helicobacter pylori и много других видов. Другие есть свободно живучими организмами, и насчитывают много бактерий, отвечающих за фиксацию азота. Как и для других бактерий, группа определяется по последовательностью рибосомной РНК (16S ррнк), и названная за именем греческого бога Протея (также как и один из родов бактерий сред протеобактерий), который мог изменять свою форму, в результате большого разнообразия форм, найденных в этой группе.

Все протеобактерии грамм-отрицательные, с внешней мембраной преимущественно построенной из полисахаридов. Многие из них двигаются применяя джгутики, но некоторые недвижимые, а другие викорустовують ворсинки или другие механизмы бактериального скольжения. Последние включают миксобактерий, уникальную группу бактерий, которые могут агрегуватися чтобы создать многоклеточные плодовые тела. Между протеобактерий также существует большое разнообразие типов метаболизма. Большинство членов являются факультативными или облигатними анаеробами и гетерофами, но также существуют множество исключения. Разные виды, не будучи родственными, превращают энергию света, применяя фотосинтез. Также среди протеобактерий существуют пурпурные бактерии, названные так за их красновату пигментацию.

Альфа-протеобактерии охватывают большинство фототрофных видов, но также несколько видов, метаболизующих C 1-вещества, симбиоты с растениями (ризобии) и животными, и группу опасных патогенов, Rickettsiaceae. Больше того, ученые считают, что предтечи митохондрий клеток эукариотов также возникли из этой группы.

Бета-протеобактерии содержат несколько групп аэробных или факультативных бактерий, которые часто очень разнообразные за своими возможностями метаболизма, крот того, хемолоитотрофные роды (т.е., окисляющий аммиак род Nitrosomonas) и фототрофов (роды Rhodocyclus и Rubrivivax). Многие из них найденные только в естественных образцах, например, видбросах и грунту. Этот класс содержит и некоторое количество патогенных видов: Neisseriaceae (gonorrhoe и meningoencephalitis) и виды рода Burkholderia.

Гамма-протеобактерии охватывают несколько клинично и научно важных групп of бактерий, таких как Enterobacteriaceae, Vibrionaceae и Pseudomonadaceae. Значительное число важных патогенив принадлежит к этому классу, т.е. Salmonella (вызывает энтерит и тиф), Yersinia (чума), Vibrio (холера), Pseudomonas aeruginosa (инфекции легких госпителизованых или клиничных пациентов с кистозным фиброзом).

Дельта-протеобактерии охватывают подраздел большей частью аэробных бактерий, бактерий образующих плодовые тела миксобактерии, и подраздел строго аэробных видов, который содержит большинство известных сульфат- (Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfonema, и т.п.) и серо-восстанавливающие бактерии (e.g. Desulfuromonas) и также несколько других анаеробных бактерии с другой физиологией (т.е. зализо-видновлюючи Geobacter и синтропичные виды: Pelobacter и Syntrophus).

Эпсилон-протеобактерии содержат лишь несколько видов, преимущественно вигнети и спиральные Wolinella, Helicobacter, и Campylobacter. Они все насиляють травный тракт животных и человека и служат как симбиоти (Wolinella в коровах) или патогени (Helicobacter в желудке, Campylobacter в двнадцатиперсний кишке).

Планктомицети - облигатно аэробные водные бактерии, найденные в образцах соленой и пресной воды. Они размножаются почкованием. По структуре, организмы этой группы яйцевидные и имеют структуру непепродуктивного конца, которая помогает им соединяться на протяжении почкования, так называемое стебель.

Организмы, которые принадлежат к этой группе не имеют пептидогликанив в клитиннии стенке. Пептидогликан - важный гетерополимер, присутствующий клеточных стенках большинства бактерий, который служат защитным компонентом. Вместе с тем стенки планктомицетов составлены с гликопротеинив богатых на глутамин. Планктомицети имеют внутренние структуры, более сложные, чем обычно ожидаются в прокариотах. Тогда как они не имеют клидинного ядра такой структуры как в эукариот, ядерный материал иногда может быть окружен в двойной мембране. В дополнение к этому нуклеоиду, эти бактерии содержат два других отдела, отделенных мембраной, пирреллюлозому или рибоплазму, которая содержит рибосомы и связанные белки, и свободный от рибосом парафоплазму (Glockner, 2003).

3. Характеристика общих свойств микроорганизмов

Микроорганизмы - это организмы, невидимые невооруженным глазом из-за их незначительных размеров. Этот критерий - единственный, который их объединяет. В остальном мир микроорганизмов еще более разнообразен, чем мир макроорганизмов. Согласно современной систематике, микроорганизмы относятся к трем царствам:

Vira - к ним относятся вирусы;

Eucariotae - к ним относятся простейшие и грибы;

Procariotae - к ним относятся истинные бактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы, спирохеты, актиномицеты.

Количество и жизнедеятельность микробов зависят от условий существования (питания, температуры, влажности).

По характеру питания микробы делятся на автотрофные, питающиеся минеральными веществами, и гетеротрофные, питающиеся готовыми органическими соединениями. Гетеротрофные микробы делятся на сапрофиты (метатрофы), разлагающие органические вещества в природе и вызывающие порчу пищевых продуктов, и паразиты (паратрофы), развивающиеся в теле других организмов и питающиеся сложными органическими веществами. К группе паразитов относятся разнообразные возбудители заболеваний человека и животных.

По типу дыхания микробы делятся на аэробы, развивающиеся только при доступе кислорода воздуха, и анаэробы, не нуждающиеся в кислороде воздуха. Анаэробные микробы подразделяются на облигатные, для которых кислород вреден, и факультативные, которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него Температура является одним из наиболее важных факторов, влияющих на жизнедеятельность микробов.

По отношению к температуре микробы подразделяют на три группы мезофилы, психрофилы и термофилы.

Большинство микробов, находящихся в стадии активного размножения (вегетативная стадия), погибает при температуре около 70° С за 1--5 мин. Споры некоторых бактерий выдерживают кипячение в течение нескольких часов. Во влажной среде споры бактерий погибают при 120° С через 20--30 мин, а в с^хой -- при 160--170° С через 1--2 ч Споры большинства дрожжей и плесеней менее устойчивы к воздействию высоких температур, чем споры бактерий и быстро погибают при нагревании до 65--80° С

Влияние температуры на жизнедеятельность микробов обусловливает возможность хранения пищевых продуктов (рыба, мясо и др.) при пониженных температурах, замедляющих размножение микробов и угнетающих деятельность ферментов. Наблюдения показывают, что количество микробов, погибших при замораживании продуктов, нередко достигает 80--90% от их первоначального содержания. Микроорганизмы, оставшиеся в живых, вначале инактивируются холодом, но при дальнейшем хранении охлажденного или замороженного продукта при температуре не ниже минус 8° С их жизнедеятельность постепенно восстанавливается Губительно действуют на микробы повторное замораживание и оттаивание продукта.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5