Морфология микроорганизмов

Морфология микроорганизмов Слайд 1. Все известные одноклеточные и многоклеточные организмы по морфологическому признаку делятся на две большие группы – прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии и цианобактерии, к эукариотам – грибы, водоросли, простейшие, зеленые растения и животные. Клетки прокариот не имеют оформленного ядра. Иными словами, генетический материал (ДНК) прокариот находится прямо в цитоплазме и не окружен ядерной мембраной. У эукариот (от греч. eu – истинный, karion – ядро) имеется настоящее ядро, то есть у них генетический материал окружен двойной мембраной (ядерной оболочкой). Эукариоты, по-видимому, произошли от прокариот и появились около 3 млрд лет назад. Исследованиями строения микробной клетки занимаются цитология, цитохимия, биохимия, биофизика, молекулярная биология, генетика, микроскопия и другие научные дисциплины. Они изыскивают различные методы, стараясь «заглянуть» внутрь клетки, изучить ее строение и связанные с ним жизненные процессы. Слайд 2. Основным методом изучения морфологии микробной клетки является микроскопия, то есть наблюдение за живыми или мертвыми клетками с помощью микроскопа. Вначале это был лишь световой микроскоп, позднее появились фазово-контрастный, стереоскопический, ультрафиолетовый, люминесцентный, поляризационный и, наконец, электронный микроскопы. Уже в 19 веке ученые установили, что разрешающая способность оптических микроскопов ограничена длиной световой волны (500 нм). Это значит, что самые мелкие бактерии находятся около предела видимости наиболее совершенного оптического микроскопа. Фазово-контрастный микроскоп не преодолел нижней границы наблюдаемых размеров, но с его помощью можно наблюдать живые клетки микроорганизмов, что далеко не всегда удается в обычных оптических микроскопах. Обычно бактерии умерщвляют, затем окрашивают и просматривают в световом микроскопе; при этом всегда существует опасность изменения структуры клеток. В фазово-контрастном микроскопе благодаря изменению длины пути световых волн возникает «фазовый сдвиг на одну четвертую длины волны». В результате усиливается рельеф, что позволяет увидеть некоторые малые элементы структуры клеток. Родственен фазово-контрастному и интерференционный микроскоп, который позволяет детально рассматривать поверхность микробных клеток. Наибольшие возможности для исследований ученым цитологам и микробиологам дает электронный микроскоп. Роль световых лучей, благодаря которым в других микроскопах получается увеличенное изображение наблюдаемых объектов, в электронном микроскопе играют пучки электронов. Их движением управляют электромагниты, выполняющие функцию оптических линз. Современный электронный микроскоп дает возможность получать увеличение объекта в несколько сот тысяч раз. Для исследования внутреннего строения клеток используется особый микрохирургический аппарат – ультрамикротом. Он позволяет получать сверхтонкие срезы клеток для просмотра в электронном микроскопе. Клетки сначала заливают особым веществом аралдитом, которое быстро затвердевает, а потом разрезают их ультрамикротомом. Однако у электронного микроскопа есть один недостаток – в нем можно наблюдать лишь мертвые клетки. Это связано с тем, что молекулы воздуха представляют для электронов непреодолимое препятствие, поэтому все наблюдения должны проводиться в вакууме, а это приводит к немедленному обезвоживанию и гибели всех живых клеток. Это препятствие было преодолено французскими учеными из Института электронной микроскопии в Тулузе, которые для разгона электронов использовали напряжение 1 500 000 В (обычно 100 000 В). В результате этого скорость электронов почти приближается к скорости света, и они проникают не только через слой воздуха, но и через живые клетки бактерий. Хотя продолжительное действие электронов и наносит им повреждения, а позднее и убивает, тем не менее, при наблюдении под микроскопом клетки какое-то время остаются живыми и неизменными. Размеры микроорганизмов Слайд 3. Для характеристики размеров микробных клеток используют следующие измерения: микрометр (1мкм = 10-6 м), нанометр (1нм = 10-9 м). При работе с электронным микроскопом используется еще более мелкая единица – ангстрем (А = 10-10м). Громадное большинство клеток бактерий имеет в среднем величину 1-3 мкм, клетки дрожжевых грибов достигают 510 мкм, волокнистые клетки других грибов достигают в длину нескольких мм. Большая часть одноклеточных водорослей имеет также микроскопические размеры, хотя известны случаи, когда их длина составляет нескольких см. Вполне понятно, что такие маленькие существа должны быть и необычайно легкими. На один мг веса приходится 5 млрд. бактерий. 1 клетка весит ~ 0.2·10-9 мг. Форма микроорганизмов Слайд 4. Типичные представители мира микроорганизмов – бактерии. По внешнему виду различают три основные формы бактерий – шаровидную, или кокковидную (от греческого coccus – ягода), палочковидную, или цилиндрическую, и извитую, или спиралевидную. Кокки бывают сферические, элипсовидные, бобовидные и ланцетовидные (обоюдоострые лезвия). В зависимости от расположения отдельных клеток по отношению друг к другу кокки делятся на следующие группы: а) микрококки – характеризуются одиночным, беспородячным расположением клеток; б) диплококки – парные кокки (пневмококк – возбудитель пневмонии, менингококк – возбудитель менингита); в) стрептококки – располагаются в виде цепочек (виды, вызывающие сепсис, воспалительные процессы); г) стафилококки – располагаются в виде гроздьев винограда (вызывают фурункулы, абсцессы и так далее); д) тетракокки – состоят из четырех близко лежащих кокков; е) сарцины - располагаются пакетообразно по 8-16 и более клеток. Слайд 5. Палочковидные (цилиндрические) формы подразделяют на бактерии, бациллы и клостродии. К бактериям относятся такие палочковидные микроорганизмы, которые, как правило, не образуют спор (кишечная, брюшнотифозная, дизентерийная, туберкулезная и другие). К бациллам (лат. Bacillus – палочка) и клостридиям (лат. сloster – веретено) принадлежат микробы, в большинстве образующие споры (сенная, сибиреязвенная, столбнячная палочки, возбудители анаэробных инфекций). Общее число палочковидных бактерий значительно больше, чем кокковидных. Слайд 6. Извитые, или спиралевидные формы. К этой группе бактерий относятся вибрионы, спириллы, а также спирохеты. а) вибрионы (лат. vibrio – изгибаюсь) – клетки, имеющие вид запятой (возбудитель холеры, водные вибрионы); б) спириллы (лат. spira – изгиб) – извитые формы бактерий, имеющие изгибы с одним или несколькими оборотами спирали; в) спирохеты имеют штопорообразную извитую форму Обнаружены также бактерии, имеющие треугольную, нитевидную, звездообразную форму. Микробы обладают полиморфизмом – индивидуальной изменчивостью, при которой наблюдается разнообразие их форм и размеров, проявляющиеся независимо от возраста и стадии развития. Они легко подвергаются изменениям под влиянием различных факторов: температуры, питательной среды, концентрации солей, кислотности, продуктов метаболизма, дезинфектантов, лекарственных препаратов и др. Особенно часто проявляется полиморфизм у бактерий при культивировании их в искусственных средах. В результате ответных реакций бактерий на физические и химические свойства питательной среды образуются различные по форме и величине клетки: сильно увеличенные, раздутые, шаровидные, колбовидные или нитевидные. Такие изменения морфологии бактерий связаны с нарушением либо синтеза оболочки, либо механизма регуляции клеточного деления. В зависимости от силы и глубины воздействия на микробную клетку изменения могут быть наследственными и ненаследственными. Строение бактериальной клетки Слайд 7. По своему строению бактерии (прокариоты) существенно отличаются от клеток растений и животных (эукариот). Основные структуры микробной клетки – оболочка, цитоплазма, ядерный аппарат (нуклеоид) и различные цитоплазматические включения. Оболочка бактерий состоит из цитоплазматической мембраны, клеточной стенки и капсульного слоя, превращающегося у некоторых видов в истинную капсулу. Цитоплазматическая мембрана прилегает к внутренней поверхности стенки клетки. Толщина ее 5-7,5 нм. Она представляет собой сложное, высокоспециализированное образование, состоящее из трех слоев: липидного, протеинового и полисахаридного. Она выполняет функцию разделительной перегородки, через нее с помощью ферментов непрерывно осуществляется активный транспорт различных веществ и ионов, необходимых для жизнедеятельности клетки. У некоторых бактерий плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки и образует мезосомы. Мезосомы – складчатые мембранные структуры, состоящие из трубочек, пузырьков и пластинок, на поверхности которых находятся ферменты, участвующие в процессе дыхания, т.е. выполняют функцию генерирования энергии. Наряду с дыхательными ферментами и механизмами регуляции проницаемости, мезосомы бактерий совместно с ЦПМ содержат специфические ферментные системы, участвующие в процессах азотфиксации и хемосинтеза. Кроме того, мезосомы играют определенную роль в образовании клеточных стенок, делении, выделении экзоферментов, спорообразовании и т.д. Клеточная стенка бактерий имеет толщину 10-35 нм и слоистое строение. Клеточная стенка придает клетке определенную форму и жесткость. Она препятствует осмотическому набуханию и разрыву клеток, когда они попадают в гипотоническую среду. Вода, другие малые молекулы, ионы легко проникают через крошечные поры в клеточной стенке, но через них не проходят крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. По строению клеточной стенки бактерии делят на две группы. Одни окрашиваются по Граму, поэтому их называют грамположительными, а другие обесцвечиваются при отмывке красителя и поэтому их называют грамотрицательными. В клеточной стенке и тех и других есть особая жесткая решетка, состоящая из муреина. Молекула муреина представляет собой правильную сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими цепями пептидов. Таким образом, каждая клетка окружена сетевидным мешком, составленным всего из одной молекулы. У грамположительных бактерий, например лактобацилл, в муреиновую сетку встроены другие вещества, главным образом полисахариды и белки. Так вокруг клетки создается сравнительно толстая и жесткая упаковка. У грамотрицательных бактерий, например, кишечной палочки, клеточная стенка тоньше, но устроена она сложнее. Муреиновый слой у этих бактерий снаружи покрыт гладким слоем липидов. Липидный слой придает клетке устойчивость к ферментам и антибиотикам (пенициллину). Бактерии, полностью лишенные клеточной стенки, называются протопластами, они имеют шаровидную форму, обладают способностью к делению, дыханию, синтезу белков, спорообразованию. Однако протопласты очень чувствительны к изменениям осмотического давления, механическим воздействиям и аэрации, не обладают активной подвижностью. Если происходит частичное растворение клеточной стенки, то бактерии превращаются в сферические тела, называемые сферопластами. Капсулы. Под влиянием различных факторов среды некоторые микробы обладают способностью откладывать на поверхности своего тела более мощный слизистый слой вокруг клеточной стенки, получивший название капсулы. Капсульное вещество бактерий состоит из полисахаридов, мукополисахаридов или полипептидов. В зависимости от особенностей микроорганизмов и состава питательной среды химический состав капсул весьма вариабелен. Благодаря высокому содержанию воды (до 98%) они слабо окрашиваются красителями. Капсулообразование считается приспособительной функцией микробов. Патогенные капсульные микробы более устойчивы к фагоцитозу, действию защитных факторов организма и внешней среды. Капсулы не являются необходимой частью клетки. Несмотря на то, что капсулообразование является видовым признаком, оно может быть утрачено как в естественных, так и в искусственных условиях. Жгутики. Многие бактерии подвижны, и эта подвижность обусловоена наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутики устроены в виде микротрубочек и состоят из одинаковых сферических субъединиц белка флагеллина, которые расположены по спирали и образуют полый цилиндр диаметром около 10-20 нм. Несмотря на волнистую форму жгутиков, они довольно жестки. Жгутики приводятся в движение посредством уникального механизма. Основание жгутика вращается так, что жгутик как бы ввинчивается в среду, не совершая беспорядочных биений, и таким образом продвигает клетку вперед. Слайд 8. По расположению жгутиков подвижные микробы подразделяются на четыре группы: 1) монотрихи – бактерии с одним жгутиком на конце (холерный вибрион, синегнойная палочка); 2) амфитрихи – бактерии с двумя полярно расположенными жгутиками или имеющие по пучку жгутиков на обоих концах; 3) лофотрихи – бактерии, имеющие по пучку жгутиков на одном конце (палочки сине-зеленого молока); 4) перитрихи – покрытые жгутиками по всей поверхности тела (кишечная палочка, сальмонеллы брюшного тифа). Характер движения бактерий зависит от числа жгутиков, возраста и свойств культуры, температуры, наличия химических веществ и других факторов. Движение клеток осуществляется путём вращения жгутика по или против часовой стрелки. При вращении жгутика по часовой стрелке клетка тянется за жгутиком вперёд (жгутик впереди). При вращении жгутика против часовой стрелки клетка выталкивается жгутиком вперёд (жгутик сзади). Наибольшей подвижностью обладают монотрихи (60 мкм/с). Подвижные бактерии способны к направленным движениям, или таксисам. В зависимости от факторов, под влиянием которых происходит движение, различают хемотаксис, аэротаксис, магнетотаксис и фототаксис. Хотя наличие жгутиков и служит видовым признаком, однако они не всегда являются жизненно необходимыми, так как существуют безжгутиковые варианты подвижных видов бактерий. Пили. У различных видов микробов имеются тонкие выросты в виде прямых нитей – пили, или фимбрии. Они короче и тоньше жгутиков и покрывают тело клетки. Количество их от 50 до 400 штук на одной особи. Длина фимбрии составляет 1,5 мкм, диаметр – 7 нм. Пили способствуют прикреплению микробных клеток друг к другу или к какой-нибудь поверхности. Изучено 9 различных видов пилей. Они состоят из белков и не являются, как и жгутики, обязательными структурами клеток бактерий. Нуклеоид (генетический материал клетки) состоит из гигантской молекулы двойных нитей ДНК длиной около 1 мм, толщиной около 2 нм. Он не ограничен от цитоплазмы какой-либо мембраной и не связан с белками бактериальной клетки. Нуклеоид прокариот имеет диффузный характер и не имеет свободных концов, то есть представлен замкнутой структурой. На разных этапах развития микробной клетки нуклеоид выглядит в виде нитей, тяжей, узловатой или тонкой сети или грубых скоплений. В клетках покоящихся бактерий содержится один нуклеоид, в фазе предшествующей делению – два, в фазе активного деления – четыре и более (до 11). У многих бактерий, помимо основной хромосомы, обнаружены дополнительные внеядерные (внехромосомные) кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, которые могут существовать и реплицироваться как независимо от хромосомы, так и быть интегрированными в неё. К ним относятся плазмиды, которые представляют собой двунитевые молекулы ДНК, несущие от 40 до 50 генов. Количество их в клетке - от 1 до 200. Плазмиды, как и другие внехромосомные элементы, не являются жизненно необходимыми, так как не кодируют информацию о синтезе ферментов, участвующих в метаболизме бактериальной клетки. Однако они могут изменять питательные потребности бактерий, придавать клетке такие свойства, как устойчивость к антибиотикам, солям тяжелых металлов, способность к продукции факторов патогенности, метаболических ферментов и др. Важная роль внехромосомных генетических элементов заключается в том, что они обеспечивают обмен генетическим материалом по горизонтали (от одной клетки популяции к другой) и играют определённую роль в эволюции прокариот. Таким образом, внехромосомные элементы делают возможным существование бактерий в более широком диапазоне условий окружающей среды, т.е. действуют как фактор адаптации. Цитоплазма бактерий представляет собой дисперсную смесь коллоидов, состоящую из воды, белков, углеводов, липидов, минеральных соединений и других веществ. Цитоплазма характеризуется высоким показателем вязкости (соответствует вязкости глицерина или густого сиропа). Строение цитоплазмы зависит от возраста, питательной среды, вида бактерий. Цитоплазма старых бактерий становится более вязкой, напоминая по своей консистенции гель. Гелеобразное состояние цитоплазмы связано с появлением в старых культурах волокнистых образований, перекрещивающих друг друга, подобно тканевой основе. Рибосомы. Цитоплазма содержит мелкие зерна диаметром 10-20 нм, состоящие из белка и нуклеиновых кислот, получившие название рибосом. Они являются обязательными и весьма важными структурами для жизнедеятельности бактерий. Количество рибосом в клетке достигает 5 тысяч. Они являются местом белкового синтеза. Включения. В ходе жизнедеятельности бактериальной клетки в ее цитоплазме можно наблюдать формирование морфологически дифференцированных образований, различающиеся по форме, размерам, химической природе и неодинаковы у разных бактерий. Их называют включениями. К бактериальным включениям относятся крупинки гликогена, крахмала, капли жира, серы, кристаллы щавелевой кислоты, зерна волютина, карбоната кальция и так далее. В некоторых случаях включение является скоплением продуктов обмена, в других – запасом питательных веществ. Спорообразование Слайд 9. Некоторые микроорганизмы (всего около 20 родов) способны образовывать внутри клетки споры (эндоспоры), представляющие собой тельца круглой или овальной формы. Спорообразование присуще некоторым, преимущественно палочковидным, микроорганизмам (бациллы и клостридии). К ним относятся возбудители сибирской язвы, столбняка, анаэробной инфекции, ботулизма и сапрофитические виды, обитающие в почве и воде. Сравнительно редко наблюдается образование спор у кокков и извитых форм. Споры располагаются в клетках по-разному. У одних бактерий спора формируется на конце клетки (терминальное расположение), последняя при этом несколько расширяется, приобретая вид барабанной палочки; у других образуется в центре клетки, и последняя либо не меняет форму (род Bacillus), либо расширяется в центре, принимая вид веретена (род Clostridium). Споры характеризуются большой преломляемостью света и при микроскопическом исследовании в неокрашенном состоянии имеют вид блестящих зерен; они с трудом прокрашиваются красителями. Вследствие наличия плотной многослойной оболочки, имеющей пластинчатое строение, минимального количества свободной воды и высокого содержания кальция и липидов споры обладают повышенной устойчивостью к действию факторов внешней среды и могут длительно (десятки лет) сохраняться в неблагоприятных условиях. Споры некоторых бацилл выдерживают кипячение и действие высоких концентраций дезинфицирующих веществ. Они погибают в автоклаве от воздействия насыщенного пара при температуре 115-125ºС (1,5-2 атм) спустя 20 минут, а также под влиянием температуры 150-170 ºС через 1 час в сухожаровом шкафу. Продукция спор – это одна из стадий цикла развития определенных микроорганизмов, выработанная в процессе эволюции в борьбе за сохранение вида. Споры представляют стадию покоя. При попадании в неблагоприятные условия окружающей среды цитоплазма с генетическим материалом (одна или несколько хромосом) обособляется от остального клеточного материала за счёт впячивания цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Мембрана нарастает от периферии к центру, где срастается, что приводит к образованию споровой поперечной перегородки. Затем происходит образование проспоры – структуры, расположенной внутри материнской клетки и полностью отделённой от неё наружной и внутренней мембранами. Поверх наружной мембраны проспоры синтезируются споровые покровы. После сформирования споры происходит лизис (разрушение) материнской клеточной стенки и спора выходит в окружающую среду. Процесс образования споры длится 18-20 часов. Попадая в благоприятные условия, споры прорастают и превращаются снова в вегетативные формы. При этом они набухают, увеличиваются в размерах, содержание воды в них возрастает, процессы обмена усиливаются. Из оболочки на полюсе или в центре выступает проросток, который вытягивается в палочку. Обычно прорастание идет значительно быстрее, чем образование споры (в течение 4-5 часов). Способность к спорообразованию используют в систематике микробов, однако она может быть утрачена в результате частых пересевов на свежую среду или культивирования при высокой температуре. Помимо эндоспор, у некоторых других бактерий существуют иные покоящиеся формы – экзоспоры и цисты. Экзоспоры возникают путём почкования материнской клетки, они сходны по своим свойствам с эндоспорами бацилл. Некоторые бактерии образуют шарообразные толстостенные клетки, называемые цистами, которые характерны для азотобактера, спирохет, миксобактерий, риккетсий, метилотрофных и некоторых других бактерий. При истощении пищевых ресурсов в цисту превращается вся палочковидная вегетативная клетка, а не часть её, как при образовании эндоспоры. Цисты устойчивы к высушиванию, механическим нагрузкам и облучению, но не к действию высоких температур.