Систематика микроорганизмов

Министерство здравоохранения

Республики Беларусь

УО«Гродненский государственный медицинский университет»

Кафедра микробиологии, вирусологии и иммунологии

им. С.И. Гельберга

Общая микробиология

Пособие для студентов лечебного и педиатрического

факультетов

Гродно – 2008

УДК 579.2(07)

ББК 52.64я73

Ж77

Рекомендовано Центральным научно-методическим советом УО «ГрГМУ» (протокол 6 от 22.05.2008)

Авторы: заведующий кафедрой микробиологии, вирусологии и иммунологии им. С.И. Гельберга, кандидат медицинских наук, доц. АЛ. Жмакин;

заведующий ЦНИЛ, доктор медицинских наук В.М.Шейбак;

доцент кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии им. СИ. Гельберга, кандидатбиологических наукС.А. Островцова.

Рецензент: доцент кафедры медицинской биологии и общей генетики, кандидат медицинских наук О.И. Левэ.

Жмакин А. И.

Ж77

Общая микробиология: пособие для студентов лечебного и педиатрического факультетов / А.И. Жмакин, В.М. Шейбак. С.А. Островною. - Гродно: УО «ГрГМУ», 2008. - 96 с. ISBN978-985-496-428-7

Пособие «Общая микробиология» предназначено для студентов лечебного и педиатрического факультетов Материал изложен в соответствии с действующие типовыми учебными программами дисциплины для соответствующих факультетов.

УДК 579.2(07)

ББК 52.64я73

ISBN 978-985-496-428-7 © Жмакин A.И, Шейбак В.М.,

Островцова С.А., 2008

©УО «ГрГМУ», 2008

Содержание

1. Микробиология как наука

1.1. Определение

1.2. Классификация микробиологических наук

1.3. Задачи медицинской микробиологии

1.4. Микробиологические методы исследования

1.5. История развития микробиологии

1.6. Основоположники научной микробиологии Л.Пастер и Р.Кох

1.7. Развитие микробиологии в Беларуси

2. Систематика микроорганизмов

2.1. Типы таксономии биологических объектов

2.2. Признаки, лежащие в основе современной таксономии микроорганизмов

2.3. Иерархическая система таксонов, применяемых в бактериологии и вирусологии

3. Морфология бактерий

3.1. Морфологические признаки бактерий

3.2. Форма бактерий

3.3. Размер бактерий

3.4. Расположение бактерий в мазке

4. Ультраструктура бактериальной клетки

4.1. Различия эу- и прокариотической клетки

4.2. Органеллы бактериальной клетки

4.3. Строение клеточной стенки бактерий

4.4. Дефектные формы бактерий

4. Ультраструктура бактериальной клетки

4.5. Микро- и макрокапсула бактерий

4.6. Жгутики бактерий

4.7. Спора и спорообразование у бактерий

5. Особенности морфологии и ультраструктуры некоторых микроорганизмов

5.1. Особенности морфологии и ультраструктуры актиномицетов

5.2. Особенности морфологии и ультраструктуры спирохет

5.3. Особенности морфологии и ультраструктуры риккетсий и хламидий

5.4. Особенности морфологии и ультраструктуры микоплазм

5.5. Особенности морфологии и ультраструктуры грибов

6. Методы изучения морфологии бактерий.

6.1. Методы микроскопии

6.2. Методы окраски мазков

6.3. Окраска по Граму

6.4. Окраска по Цилю-Нильсену

7. Обмен веществ и энергии у прокариот

7.1. Особенности метаболизма микроорганизмов

7.2. Классификация бактерий по источнику углерода

7.3. Пути проникновения питательных веществ в бактериальную клетку

7.4. Классификация бактерий по потребностям в факторах роста

7.5. Классификация бактерий по особенностям энергетического метаболизма

7.6. Классификация бактерий по отношению к кислороду воздуха

7.7. Особенности метаболизма риккетсий, хламидий, микоплазм

7.8. Классификация бактериальных ферментов

8. Размножение бактерий и принципы их культивирования

8.1. Способы размножения бактерий

8.2. Цикл развития хламидий

8.3. Культивирование микроорганизмов и классификация искусственных питательных сред

8.4. Требования к условиям культивирования бактерий

8.5. Характер роста бактерий на искусственных питательных средах

8.6. Стадии роста периодической бактериальной культуры

8.7. Методы создания анаэробных условий для культивирования бактерий

9. Культуральный метод исследования

9.1. Принципиальная схема культурального метода исследования

9.2. Культуральные признаки бактерий

9.3. Изучение биохимических свойств бактерий (на примере энтеробактерий)

10. Бактериофаги

10.1. Открытие, номенклатура и структура бактериофагов

10.2. Морфологические типы бактериофагов

10.3. Классификация бактериофагов по спектру действия

10.4. Вирулентный, умеренный, дефектный бактериофаги

10.5. Взаимодействие бактериофага с бактериальной клеткой 10.6. Практическое применение фагов

10.7. Выделение и титрование бактериофага

11. Организация генетического материала у бактерий

11.1. Общая схема организации генетического материала бактериальной клетки

11.2. Плазмиды

11.3. F-плазмиды

11.4. R-плазмиды

11.5. Бактериоциногенные плазмиды (на примере Col-плазмиды E.coli)

11.6. Транспозоны

11.7. IS-последовательности

11.8. Механизмы фаговой конверсии

12. Модификации, мутации и репарации у бактерий

12.1. Модификации у бактерий

12.2. Мутации у бактерий

12.3. SR-диссоциация

12.4. Мутагены

12.5. Репарации

13. Генетические рекомбинации у бактерий, генная инженерия в медицинской микробиологии

13.1. Виды генетических рекомбинаций у бактерий

13.2. Генная инженерия в медицинской микробиологии

14. Применение генетических методов в микробиологической диагностике

14.1. Метод молекулярной гибридизации

14.2. Полимеразная цепная реакция

15. Основы экологической микробиологии

15.1. Основные понятия

15.2. Экологические связи в микробиоценозах

15.3. Экологические среды обитания микроорганизмов

15.4. Микробиологические аспекты охраны окружающей среды

16. Микрофлора тела человека

16.1. Общая характеристика микрофлоры тела человека

16.2. Состав нормальной микрофлоры тела человека

16.3. Значение нормальной микрофлоры тела человека

16.4. Нарушение нормальной микрофлоры тела человека и подходы к её нормализации

17. Влияние экологических факторов на микроорганизмы, микробная деконтаминация и асептика

17.1. Действие на микроорганизмы физических факторов внешней среды

17.2. Действие на микроорганизмы химических факторов внешней среды

17.3. Устойчивость к факторам внешней среды грибов

17.4. Типы микробной деконтаминации

17.5. Асептика

18. Инфекция и её формы

18.1. Основные термины и понятия

18.2. Звенья эпидемического процесса

18.3. Принципиальная схема развития инфекционного процесса

18.4. Эколого-эпидемиологическая классификация инфекционных процессов

18.5. Классификация инфекций по механизму, путям передачи и воротам инфекции

18.6. Формы инфекции

18.7. Особенности инфекционных болезней

18.8. Периоды инфекционной болезни

19. Патогенность, вирулентность, токсинообразование у бактерий

19.1. Патогенность и вирулентность

19.2. Характеристика патогенности

19.3. Выявление и оценка вирулентности

19.4. Единицы измерения вирулентности

19.5. Факторы вирулентности

19.6. Характеристика факторов адгезии

19.7. Характеристика факторов агрессии

19.8. Характеристика основных ферментов патогенности (вирулентности)

19.9. Общая характеристика бактериальных токсинов

19.10. Свойства белковых токсинов

19.11. Классификация белковых токсинов

19.12. Общая характеристика эндотоксина и его отличия от белковых токсинов

19.13. Клинические проявления эндотоксинемии

20. Химиотерапевтические препараты

20.1. Основные характеристики химиотерапевтических средств

20.2. Важнейшие группы химиопрепаратов и механизм их действия

21. Антибиотики

21.1. Классификации антибиотиков

21.2. Основные группы антибиотиков

21.3. Осложнения антибиотикотерапии

21.4. Принципы рациональной антибиотикотерапии

21.5. Механизмы резистентности бактерий к антибиотикам

21.6. Борьба с развитием антибиотикоустойчивости у микроорганизмов

22. Определение чувствительности бактерий к антибиотикам

22.1. Метод дисков

22.2. Метод серийных разведений

МИКРОБИОЛОГИЯ КАК НАУКА

1.1. Определение

Микробиология – это наука, изучающая микроорганизмы (или, как их ещё называют, микробы – микроскопические объекты). Микроорганизмы – это такие биологические объекты, которые из-за своих малых размеров видны лишь в микроскоп.

1.2. Классификация микробиологических наук

Микробиология представляет собой целый комплекс биологических наук, которые можно классифицировать или по объекту изучения или по прикладным целям.

А. В зависимости от объекта изучения различают общую микробиологию и так называемые частные микробиологические науки (бактериология, микология, протозоология и вирусология).

1. Общая микробиология изучает общие закономерности структуры и функционирования микробной клетки.

2. Бактериология изучает прокариотические микроорганизмы – бактерии.

3. Микология изучает микроскопические грибки (эти микроорганизмы являются эукариотами).

4. Протозоология изучает простейшие (клетки которых, как и у грибков, имеют эукариотический тип строения).

5. Вирусология изучает микроорганизмы, представляющие собой неклеточную форму жизни – вирусы.

Б. По прикладным целям изучения различают медицинскую, санитарную, ветеринарную, промышленную, почвенную, морскую и космическую микробиологию.

1. Медицинская микробиология изучает микроорганизмы, имеющие медицинское значение. Её задачи более подробно будут изложены ниже.

2. Санитарная микробиология изучает микробиологические аспекты безопасности человека. Её изучают на медико-профилактических (санитарно-гигиенических) факультетах медицинских высших учебных заведений. Выпускники этих факультетов составляет костяк сотрудников Центров гигиены и эпидемиологии (санитарно-гигиенических станций).

3. Ветеринарная микробиология изучает микроорганизмы, вызывающие патологические процессы у животных.

4. Промышленная микробиология занимается вопросами использования микроорганизмов как источников получения необходимых веществ в промышленных масштабах. На предприятиях микробиологической промышленности производят антибиотики, витамины, аминокислоты и другие биологически активные вещества. Кроме этого, специалисты промышленной микробиологии работают в пищевой, химической и других отраслях производства.

5. Почвенная микробиология изучает микроорганизмы, обитающие в почве. Эти микробы играют большую роль в жизни растений.

6. Морская микробиология изучает микроорганизмы мирового океана.

7. Космическая микробиология изучает взаимодействие человеческого организма с микробами в условиях космического полёта, а также занимается поисками микроорганизмов внеземного происхождения.

1.3. Задачи медицинской микробиологии

Медицинская микробиология изучает патогенные, условно-патогенные и синантропные микроорганизмы, т.е. такие микробы которые вызывают в человеческом организме патологические процессы или могут их вызывать в определённых условиях, а также микробы, населяющие человеческий организм и сосуществующие с ним на условиях, преимущественно, комменсализма. Кроме этого, медицинская микробиология изучает процессы взаимоотношения этих микробов с человеческим организмом.

А. Таким образом, медицинская микробиология изучает, прежде всего, структуру и биологические свойства патогенных, условно-патогенных и синантропных микроорганизмов.

Б. Однако этим ни в коей мере не исчерпывается список задач, стоящих перед медицинской микробиологией. Исключительно большое значение играет изучение особенностей протекания того процесса, который называется инфекционным. Под этим термином понимают совокупность всех тех событий, которыми сопровождается сосуществования микроба и человеческого организма. Часто этот процесс обозначается термином «инфекция».

1. Медицинская микробиология изучает патогенез инфекций. Под этим термином понимают те особенности взаимоотношений микроба и макроорганизма, которые приводят к развитию в человеческом организме патологического процесса.

2. Задачей медицинской микробиологии является также разработка специфических методов диагностики микробных заболеваний.

3. Медицинская микробиология разрабатывает также методы лечения микробных заболеваний. Причем приоритет отдаётся тем препаратам, которые действуют на причину (этиологию) данного микробного заболевания, то есть на сам микроорганизм. Такая терапия называется этиотропной.

4. Медицинская микробиология занимается разработкой методов профилактики микробных заболеваний. Особое внимание при этом уделяется тем методам, которые направлены не на профилактику определённой группы схожих инфекций, а на предупреждения конкретного заболевания. Такая профилактика называется специфической.

1.4. Микробиологические методы исследования

Медицинская микробиология оперирует четырьмя основными методами исследования (диагностики): микроскопическим, культуральным, экспериментальным (биологическим) и иммунологическим (иммунобиологическим).

А. Микроскопический метод диагностики основан на микроскопии мазка, приготовленного из патологического материала с целью обнаружения в нём микроорганизмов. Под патологическим материалом понимают любой материал (кровь, моча, кал, раневое отделяемое, пункт, образец объекта внешней среды и т.д.), в котором может находиться возбудитель микробного патологического процесса или другой микроорганизм, представляющий интерес для медицинской микробиологии. В зависимости от объекта исследования, данный метод носит так же названия бактериоскопический, микоскопический, вирусоскопический.

Б. Культуральный метод диагностики основан на выделении из патологического материала чистой культуры микроорганизма (т.е. такой культуры, которая содержит особи только одного вида) и дальнейшей её идентификации.

В. Экспериментальный (или биологический) метод диагностики основан на введении патологического материала в организм лабораторного животного и дальнейшей регистрации изменений его состояния: если в патологическом материале присутствовал патогенный микроб, то лабораторное животное заболевает или даже погибает. При этом учитываются специфические клинические симптомы, проявляющиеся во время болезни животного, а также специфические изменения внутренних органов, выявляемые при вскрытии его трупа. Из органов животного можно приготовить мазки или выделить чистую культуру. В этом случае этот метод диагностики сочетается с микроскопическим и, при необходимости, с культуральным.

Г. Иммунологический (или иммунобиологический) метод диагностики представляет собой совокупность методов, общим для которых служит использование в диагностических целях иммунологических реакций. Более детально эти методы рассматриваются в курсе иммунологии.

1. Наиболее широко при иммунологическом методе диагностики используются серологические реакции – реакции между антигеном и антителом, проводимые invitro.

а. С помощью серологических реакций можно выявлять антигены микробов. В этом случае смешивают взвесь исследуемых микроорганизмов и специальные диагностические сыворотки, содержащие известные антитела.

1. При этом микробные антигены можно выявлять непосредственно в патологическом материале, без предварительного выделения из него чистой культуры. Такой метод позволяет сделать вывод о наличии, например, в организме больного возбудителя инфекционного заболевания очень быстро, в считанные часы. Поэтому он носит название экспресс-диагностики.

2. Микробные антигены идентифицируют так же в чистой культуре микроорганизма, предварительно выделенной из патологического материала. В этом случае говорят о серологической идентификации выделенной культуры. Такую идентификацию осуществляют на последнем этапе культурального метода исследования.

б. Серологические реакции можно так же использовать для выявления антител против микробных антигенов. В этом случае смешивают диагностикум (взвесь известного антигена) и сыворотку крови больного. Такой способ диагностики микробных заболеваний называется серодиагностика.

2. Кожно-аллергические пробы используются для выявления специфической гиперчувствительности (аллергии) к аллергенам, в том числе микробным. Их взвесь вводят больному внутри- или накожно.

3. В настоящее время в диагностике широко применяются методы оценки иммунного статуса, позволяющие выявить нарушения иммунологического реагирования организма человека, в том числе на микробные антигены.

1.5. История развития микробиологии

В истории микробиологии выделяют четыре периода.

А. Первый период называется описательный.

1. Он длился с конца XVII до середины ХХ в.

2. В этот период произошло открытие мира микроорганизмов и описание внешнего вида большинства бактерий.

3. Ключевой фигурой этого периода считается изобретатель микроскопа и первый человек, увидевший удивительный и таинственный мир микроорганизмов – А.Левенгук (Рис. 1.5-1).

Рис.1.5-1 А. Левенгук (1632-1723)

Б. Второй период развития микробиологии носит название физиологический (или, как его ещё называют по имени самого выдающегося микробиолога всех времён и народов – пастеровский).

1. Второй период охватывает время с середины XIX до начала ХХ в.

2. Этот период развития микробиологии характеризуется началом изучения жизнедеятельности (физиологии) бактериальной клетки, открытием болезнетворных бактерий, началом научной микробиологии.

3. Развитие микробиологии в этот период практически полностью определяли два великих учёных, ставших основоположниками научной микробиологии – Л.Пастер (Рис. 1.5-2) и Р.Кох (Рис. 1.5-3). Их заслуги настолько значительны, что будет справедливым рассмотреть их чуть ниже, выделив в самостоятельный раздел.

Рис. 1.5-2 Л.Пастер

(1822-1895)

Рис.1.5-3 Р.Кох (1843-1910)

В. Третий период развития микробиологии называется иммунологический.

1. Он продолжался с начала до середины ХХ века.

2. Как следует из названия, третий период развития микробиологии характеризуется прежде всего открытием иммунитета и началом развития иммунологии.

3. Из наиболее заслуженных учёных, работавших в этот период, необходимо упомянуть И.И.Мечникова, П.Эрлиха, А.Флеминга, Домагка иИвановского.

а. И.И.Мечников (Рис. 1.5-4) разработал клеточную теорию иммунитета.

б. П.Эрлих (Рис. 1.5-5) разработал гуморальную теорию иммунитета, он же является основоположником химиотерапии инфекционных заболеваний.

в. А. Флеминг (Рис. 1.5-6) открыл пенициллин.

г. Г. Домагк положил начало применению сульфаниламидов в медицинской практике.

д. Ивановский (рис. 1.5-7) открыл вирусы.

Г. Последний период развития микробиологии называется современным.

1. Начался он с середины ХХ в.

2. Характеризуется современный период развития микробиологии разработкой молекулярных методов исследования.

3. Из учёных этого периода необходимо упомянуть Львова, Портера, Эдельмана, Бернета, Галло, Монтанье, Пруссинера.

Рис. 1.5-4. И.И.Мечников (1845-1916)

Рис. 1.5-5. П.Эрлих (1854-1915)

Рис. 1.5-6. А.Флеминг (1881-1955)

Рис. 1.5-7. Ивановский

Рис. 1.5-8. Львов

Рис. 1.5-9. Бернет

Рис. 1.5-10. Прусинер

а. Львов (Рис. 1.5-8) открыл способность вирусов сохраняться в виде интегрированных в хромосому клетки-хозяина нуклеотидных последовательностей, которые были названы провирусом. Это открытие революционным образом изменило представление о молекулярных механизмах взаимодействия вируса с инфицированной клеткой.

б. Работы Портера и Эдельмана позволили понять строение иммуноглобулинов (антител).

в. Бернет (Рис. 1.5-9) сформулировал клонально-селекционную теорию иммунитета, лежащую в основе современных взглядов на функционирование иммунной системы.

г. Галло и Монтанье открыли вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) – самый страшный из инфекционных агентов, с которыми когда-либо сталкивалось человечество. В настоящее время пандемия ВИЧ-инфекции не контролируется всемирным здравоохранением и несёт реальную угрозу существования вида Homosapiens.

д. Прусинер (Рис. 1.5-10) открыл прионы – инфекционные белки. Прионовые инфекции – губчатые энцефалопатии – абсолютно смертельные заболевания.

1.6. Основоположники научной микробиологии Л.Пастер и Р.Кох

Л.Пастер и Р.Кох – два величайших учёных, подобно двум атлантам, держат на своих плечах всё грандиозное здание современной научной микробиологии. Именно они – и прежде всего Л.Пастер – превратили интересное времяпрепровождение, которым было до середины ХІХ века рассматривание в «трубу Левенгука» забавных микроскопических существ, в настоящую науку, буквально перевернувшую всю систему взглядов на саму сущность жизни.

А. Л.Пастер был по своему образованию химиком, в микробиологию его привела логика научного поиска. Как химик, он занялся изучением брожения – как тогда полагали, химического процесса – и открыл его биологическую сущность: брожение осуществляли микроорганизмы. Пастер занялся дальнейшим изучением живых микроскопических объектов, создав новую науку – микробиологию и став в этой новой науке в непререкаемым авторитетом.

1. Л.Пастер доказал патогенность для человека стафилококка, пневмококка. В медицинской микробиологии принято считать первооткрывателем микроба не того, кто первым описал его, а того, кто доказал его роль как этиологического агента того или иного заболевания. Поэтому Л.Пастера считают первооткрывателем этих бактерий. Кроме них Л.Пастер открыл клостридии.

2. Л.Пастер первым разработал алгоритм приготовления живых (ослабленных) вакцин, назвав эти препараты в честь эмпирического открытия Дженнера, разработавшего оспопрививание (лат. vacca = корова). Пастер приготовил вакцины против куриной холеры, сибирской язвы и бешенства. Последнюю вакцину он создал, даже не зная возбудителя болезни (вирусы были открыты позднее). Таким образом, Л.Пастера смело можно назвать основоположником иммунологии.

3. Л.Пастеру принадлежит и множество других открытий.

а. Как уже упоминалось выше, Пастер открыл микробную природу брожения.

б. Кроме этого им была открыта микробнаяприродаболезней шелковичных червей, а так же природа порчи (скисания) вина и пива. Эти открытия великого учёного принесли Франции огромную материальную выгоду.

в. Л.Пастер доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.

г. Пастер изобрёл такие широко ныне применяемые способы стерилизации, как стерилизация сухим жаром и пастеризация.

Б. Р.Кох, в отличие от Л.Пастера, был врачом. После окончания университета он работал в глухом уголке Восточной Пруссии. Чтобы развеять скуку мужа, жена подарила ему на день рождения микроскоп, который рассматривался в то время как игрушка. Так получилось, что этот подарок положил начало научной карьере Р.Коха, будущего лауреата Нобелевской премии за открытие возбудителя самого страшного в то время заболевания – туберкулёза.

1. Р.Кох открыл возбудителей сибирской язвы, холеры («запятая Коха») и туберкулёза («палочка Коха»).

2. Р.Кох усовершенствовал правила, предложенные Генле, для доказательства этиологической роли данного микроба в развитии данного заболевания. Триада Генле-Коха гласит: чтобы данный микроб считался возбудителем данного заболевания необходимо:

- выделить данный микроб от больного (при этом от здорового он выделять не должен),

- получить чистую культуру данного микроба,

- при заражении ею лабораторного животного, у последнего должно развиться заболевание со схожей клинической картиной.

В настоящее время все три положения триады Генле-Коха уже устарели, но в своё время (конец ХІХ – начало ХХ в.) это были чёткие правила, следуя которым, микробиологи один за другим открывали возбудителей инфекционных заболеваний. Это было время информационного взрыва в микробиологии.

3. Р.Кох очень много сделал в области практической бактериологии.

а. Им были введены в бактериологическую практику плотные питательные среды.

б. Р.Кох предложил окрашивать микроорганизмы анилиновыми красителями.

в. Р.Кох оснастил микроскоп иммерсионным объективом, положив начало использованию иммерсионной микроскопии, самого распространённого метода микроскопии в бактериологических лабораториях.

г. Р.Кох первым стал применять микрофотографию.

д. Р.Кох разработал метод стерилизации текучим паром. Прибор, применяемый для этой цели до сих пор, называется «аппаратом Коха».

1.7. Развитие микробиологии в Беларуси

На территории Беларуси научные учреждения, в которых развивалась микробиологическая наука и учебные заведения, где микробиология преподавалась как предмет, возникли в первой трети ХХ века, но впервые микроскоп как научный прибор применяли здесь еще с конца XVIII века.

А. В конце XVIII века в Гродно Жилибером (Рис. 1.7-1) была основана медицинская академия. В одной из своих статей Жилибер описывает свою попытку в отделяемом язвы найти с помощью микроскопа мельчайших организмов, которые могли бы быть причиной заболевания. По описанию клинических симптомов можно сделать предположение, что у больного была сибирская язва – Жилибер вполне мог увидеть в микроскоп возбудителя. И хотя сибиреязвенная бацилла была открыта значительно позже, именно попытку Жилибера можно назвать первым в истории Беларуси случаем использования микроскопа в диагностике инфекционной болезни.

Б. Становление микробиологической науки в Беларуси связано с именем Эльберта (Рис. 1.7-2). Эльберт, чья научная деятельность продолжалась с 20-х по 60-е годы ХХ в., основал в Минске санитарно-бактериологический институт и первую кафедру микробиологии. Эльберт много сделал для изучения клебсиелл, он является соавтором создания вакцины для профилактики туляремии (вакцина Гайского-Эльберта).

В. Его ученик и соратник Гельберг (Рис. 1.7-3) основал кафедру микробиологии в Гродненском государственном медицинском институте. Гельберг, чья научная деятельность протекала с 20-х по 90-е гг. ХХ в., заслужил мировое признание своими работами по изучению микобактерий. Кафедра микробиологии, вирусологии и иммунологии Гродненского государственного медицинского университета носит имя С.И.Гельберга.

Рис. 1.7-1. Жилибер

Рис.1.7-2. Эльберт

Рис. 1.7-3. Гельберг

Рис. 1.7-4. Красильников

Рис. 1.7-5. Титов

Рис. 1.7-6. Вотяков

Г. Красильников (Рис. 1.7-4), время деятельности которого пришлось на 40-е – 90-е гг. ХХ в. является ведущим белорусским бактериологом, его работы по изучению клебсиелл, лептоспир, не потеряли своего значения и по сей день. Именно Красильников, по желанию Эльберта, принял из его рук кафедру микробиологии Минского медицинского института и возглавлял её не одно десятилетие. Как в своё время Эльберт, так и Красильников, передал заведование кафедрой своему самому достойному ученику – Титову (рис. 1.7-5), ведущему белорусскому иммунологу, который сейчас, являясь членом Национальной академии наук Беларуси, возглавляет не только кафедру микробиологии Белорусского медицинского университета, но и Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии – центральное научное учреждение в области медицинской микробиологии нашей страны.

Д. Основоположником белорусской вирусологии является Вотяков (Рис. 1.7-6), работающий в Беларуси с 1950 г. Он внес значительный вклад в решение многих проблем общей и прикладной вирусологии и эпидемиологии, в выяснение механизмов развития вирусных инфекций, их лечение химиопрепаратами. За 50 с лишним лет своей работы Вотяков создал белорусскую школу вирусологов.

СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

2.1. Типы таксономии биологических объектов

Существует два основных типа таксономии (т.е. систематики или классификации) биологических объектов – филогенетический и практический.

А. Филогенетическая систематика биологических объектов называется также естественной систематикой.

1. При этом типе таксономии биологических объектов в один таксон (группу классификации) объединяются объекты, имеющие общий корень происхождения. Т.е. общий принцип такой классификации можно сформулировать как «кто от кого произошёл».

2. Филогенетическая (естественная) систематика является основным типом таксономии, применяемой в общей биологии.

Б. Практическая систематика биологических объектов называется также искусственной систематикой.

1. При этом в один таксон объединяются биологические объекты, схожие по своим признакам. Общий принцип такой классификации можно сформулировать как «кто на кого похож».

2. Практическая (искусственная) систематика является основным типом таксономии, применяемой в микробиологии.

2.2. Признаки, лежащие в основе современной таксономии микроорганизмов

Микроорганизмы классифицируются на основе морфологических, биохимических, физиологических (культуральных), серологических и молекулярно-биологических признаков.

А. Морфологические признаки выявляются с помощью микроскопического метода исследования. Описывая морфологию микроорганизмов, описывают все те признаки, которые видны в микроскоп.

1. Морфологические признаки включают в себя форму, размер и строение бактериальной клетки или вирусной частицы.

2. Морфологические признаки используются и в классификации бактерий и в классификации вирусов.

Б. Биохимические признаки микроорганизмов изучаются в ходе культурального метода исследования.

1. Под биохимическими признаками понимают биохимическую активность бактерий (так как вирусы не имеют собственного метаболизма, то об их биохимической активности говорить не приходится). Биохимическая активность характеризуется тем, какие субстраты разлагает бактериальная клетка и какие продукты метаболизма при этом образуются.

2. Биохимические признаки используются в классификации бактерий, но не вирусов.

В. Культуральные (или физиологические) признаки так же изучаются в ходе культурального метода исследования.

1. Под культуральными признаками понимают характер роста микроорганизмов на искусственных питательных средах.

2. Культуральные признаки так же используются лишь в классификации бактерий, но не вирусов, так как последние не растут (как облигатные паразиты) на искусственных питательных средах.

Г. Серологические признаки изучаются с помощью иммунологического метода исследования (а именно, с помощью серологических реакций). Эта группа признаков микробов будет представлена в курсе иммунологии.

1. Под серологическими признаками микроорганизма понимают его антигенный состав.

2. Серологические признаки используются в классификации как бактерий, так и вирусов.

Д. Молекулярно-биологические признаки микроорганизмов выявляются при генетическом исследовании.

1. К молекулярно-биологическим признакам относят особенности строения нуклеиновых кислот микроорганизмов.

а. С помощью специальных методов, о которых речь пойдёт ниже, в разделе, рассказывающем о генетике бактерий, изучают строение ДНК.

б. Используют в таксономии микроорганизмов и особенности строения их РНК.

1. Структура иРНК используется для классификации РНК-геномных вирусов.

2. У бактерий с таксономической целью используют особенности 16 S рРНК. рРНК находится вне сферы действия отбора, и эволюционируют только в ходе спонтанных мутаций, скорость которых постоянна. Поэтому количество нуклеотидных замен в молекулах сравниваемых рРНК может служить мерой эволюционного расстояния между организмами.

2. Включение молекулярно-биологических признаков в систематику сближает оба типа таксономии, так как сходство на уровне нуклеиновых кислот отражает не только простое сходство признаков, но и эволюционную близость сравниваемых микроорганизмов. Молекулярно-биологические признаки используют (с вышеуказанными особенностями) в классификации как бактерий, так и вирусов.

2.3. Иерархическая система таксонов, применяемых в бактериологии и вирусологии

Из-за принципиального отличия в строении и функционировании прокариот (бактерий) и вирусов, система таксонов, применяемых в их классификации, так же различна.

А. У бактерий таксоны располагаются в следующем нисходящем порядке: царство, отдел, порядок, семейство, род, вид, подвидовые категории.

1. Царство – самый крупный таксон, все бактерии объединены в царство Procaryota, названное так вследствие особенности строения бактериальной клетки. Среди эукариот также есть микроорганизмы – это микроскопические грибки и простейшие.

2. По особенностям строения клеточной стенки прокариоты классифицируются на четыре отдела, три из которых (Firmicutes, Gracilicutes и Tenericutes) объединяют эу (истинные) бактерии, а один (Mendosicutes) – так называемые архебактерии (малоизученные прокариоты, обитающие в экстремальных условиях). Медицинская микробиология не изучает архебактерии, поскольку они не имеют медицинского значения.

3. Название порядка у бактерий всегда заканчивается на – ales. На порядки классифицируется большинство прокариот.

4. Название семейства у прокариот заканчивается на – ceae. Практически все прокариоты классифицированы на семейства.

5. Семейства подразделяются на роды. Из их числа лишь немногие, так называемые роды с неясным таксономическим положением, не классифицированы как относящиеся к тому или иному семейству.

6. Роды подразделяются на виды. Вид является основной таксономической единицей у всех форм клеточной жизни (т.е. не только у про-, но и у эукариот).

7. Вследствие выраженной способности к изменчивости, виды бактерий отличаются крайней степенью гетерогенности. Поэтому в систематике прокариот используются так называемые подвидовые категории: вариант, штамм, клон.

а. Особи одного вида, отличающиеся друг от друга каким-либо признаком, классифицируются как различные варианты («-вары») этого вида. Раньше эти таксономические единицы назывались «-типами» и этот термин до сих пор встречается в научной литературе.

1. Морфовары отличаются друг от друга своими морфологическими признаками.

2. Биовары – биологическими признаками (например, культуральными).

3. Ферментовары отличаются друг от друга набором ферментов и, как следствие, биохимической активностью. Часто для их обозначения также используется термин «биовар».

4. Резистенсвары отличаются устойчивостью к антимикробным веществам, прежде всего к антибиотикам.

5. Фаговары отличаются чувствительностью к типовым фагам (вирусам бактерий),

6. Серовары отличаются друг от друга своим антигенным составом.

7. Эковары различны по среде своего обитания, т.е. тем экологическим нишам, которые занимают эти варианты.

8. Патовары отличаются друг от друга уровнем своей болезнетворности (патогенностью, вирулентностью)

б. Термин штамм используется для обозначения бактериальной культуры, выделенной из конкретного источника. Например, две культуры кишечной палочки, выделенные из кишечника разных людей, могут быть абсолютно идентичны друг другу по всем своим свойствам, однако, тем не менее, они будут считаться двумя различными штаммами.

в. Потомство одной бактериальной клетки называется клоном. В генетике этот термин используется для обозначения двух особей, идентичных по своему геному. В практической бактериологии клональной называется культура, выросшая из одной клетки, хотя уже после 5 – 7 делений, вследствие выраженной изменчивости, бактериальные клетки теряют генетическую идентичность.

Б. У вирусов таксоны располагаются в следующем нисходящем порядке: царство, подцарство, семейство, подсемейство, род, название вируса, варианты вируса.

1. Вирусы, как неклеточная форма жизни выделяются в отдельное царство Vira.

2. В зависимости от типа нуклеиновой кислоты, а вирусная частица, в отличие от клетки содержит или ДНК или РНК, царство Vira подразделяется на два подцарства – ДНК- и РНК-геномных вирусов.

3. Подцарства содержат семейства. Это наиболее часто употребляемое название вирусных таксонов. Когда говорят «герпесвирус» или «аденовирус» имеют в виду именно семейство. Название семейства в латинском написании обязательно имеет окончание – viridae.

4. Некоторые семейства подразделяются на подсемейства. Название этого таксона заканчивается на – virinae.

5. Основной таксономической единицей в систематике вирусов является род (понятие «вид» в вирусологии не определено).

6. В роды входят отдельные вирусы. Например, в род Orthoparamyxovirus входят вирусы парагриппа, эпидемического паротита, ньюкастлской болезни.

7. Вирусы так же, как и бактерии, классифицируются на различные варианты. Чаще всего речь идёт об антигенных вариантах – в этом случае, как и у бактерий, употребляется термин «серовар» или «серотип».

МОРФОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

3.1. Морфологические признаки бактерий

При описании морфологии бактерий определённого таксона характеризуют следующие присущие ему признаки:

- окраска по Граму,

- форма бактериальной клетки,

- размер бактериальной клетки,

- наличие защитных приспособлений (капсулы, эндоспоры),

- подвижность (наличие жгутиков, их число и расположение),

- расположение бактерий в мазке.

В этой главе даны общие сведения о форме, размере и расположении бактериальных клеток в мазке; морфологические признаки, обусловленные особенностями ультраструктуры бактериальных клеток (окраска по Граму, зависящая от типа строения клеточной стенки, капсула, эндоспора и жгутики) будут описаны в главе 4.

3.2. Форма бактерий

Форма бактериальных клеток достаточно хорошо оценивается при световой микроскопии.

Рис. 3-1. Стафилококки

Рис. 3-2. Стрептококки

Рис. 3-3. Пневмококки

Рис. 3-4. Нейссерии (менингококки)

А. Подавляющие большинство прокариот, благодаря наличию жёсткой структуры - клеточной стенки – обладают определённой формой, которая хоть и может варьировать в определённых пределах, тем не менее, является достаточно стабильным морфологическим признаком. Такие бактерии относятся к отделам Firmicutes и Gracilicutes.

1. Бактерии, имеющие круглые клетки, называются кокками.

а. Форму математически идеального шара, имеют стафилококки (Рис. 3-1).

б. Овальную форму клеток имеют стрептококки (Рис. 3-2).

в. Ланцетовидную форму или, как её ещё описывают, форму горящей свечи, имеют пневмококки (Рис. 3-3).

г. Бобовидную форму имеют нейссерии (гонококки и менингококки) (Рис. 3-4).

2. Бактерии цилиндрической формы называют палочковидными или просто палочками.

а. Большинство палочек прямые (Рис. 3-5).

Рис. 3-5. Прямые палочки

б. Некоторые палочки имеют изогнутую форму. Раньше такие бактерии относились к спирохетам, но последние имеют ряд принципиальных особенностей в своей ультраструктуре, которые не присущи изогнутым палочкам.

1. Один изгиб имеют вибрионы (Рис. 3-6). Их ещё сравнивают с запятыми, а холерный вибрион, по имени первооткрывателя, называют «запятой Коха».

Рис. 3-6. Вибрионы

2. Кампилобактеры ( Рис.3-7) и геликобактеры (Рис. 3-8) имеют два-три изгиба. Из-за такой формы и ещё принимая во внимание их расположение в мазке, эти бактерии характеризуют как «крыло чайки».

в. Отдельную группу составляют ветвящиеся и способные к ветвлению бактерии. Типичным представителем их являются актиномицеты (Рис. 3-9). Способны к ветвлению микобактерии и коринебактерии. Эта группа называется также бактерии актиномицетного ряда.

3. Извитые формы бактерий обладают особенностями ультраструктуры, придающими им вид кручёной нити. Более подробно о них будет сказано ниже. К этой группе относятся спирохеты – трепонемы, лептоспиры, боррелии (Рис. 3-10).

Б. Особая группа бактерий не имеет определённой формы. Речь идёт о микоплазмах (Рис. 3-11). Эти бактерии лишены клеточной стенки, а именно она играет у прокариот формообразующую роль. Микоплазмы выделены в особый отдел – Tenericutes.

Рис.3-7. Кампилобактеры

Рис. 3-8. Геликобактеры

Рис. 3-9. Актиномицеты

Рис. 3-10. Спирохета

Рис. 3-11. Микоплазмы

3.3. Размер бактерий

Размер бактериальных клеток можно измерить с помощью специальной линейки, помещаемой в окуляр микроскопа. Однако на начальном этапе изучения мира микроорганизмов достаточно обладать ориентировочными представлениями о размере микробов.

А. Кокки имеют размер порядка 1 мкм.

Б. Палочки по их размеру можно разделить на три основные группы.

1. Наиболее мелкие палочки по своим размерам схожи с кокками. Такие палочки называются коккобактериями.

2. Размер подавляющего большинства палочек можно охарактеризовать как мелкие и средние. Из-за присущего прокариотам полиморфизма провести чёткую границу между палочками мелких и средних размеров достаточно сложно.

3. И, наконец, к крупным палочкам относятся ветвящиеся (бактерии актиномицетного ряда) и спорообразующие (бациллы и клостридии) палочки.

В. Спирохеты, по признаку их размера, можно охарактеризовать как очень тонкие и очень длинные.

Г. Микоплазмы, по причине, о которой уже говорилось выше, не имеют строго определённого размера, который колеблется у этих прокариот от сотен нанометров (т.е. соизмерим с размером больших вирусов) до десятков микрометров (т.е. достигает размера крупных бактерий).

3.4. Расположение бактерий в мазке

Для правильной оценки этого признака очень важную роль играет качественное приготовление мазка и практический опыт микробиолога (впрочем, первое почти всегда зависит от второго). Расположение бактерий в мазке зависит от особенностей их деления – в каком количестве плоскостей одновременно происходит этот процесс и сразу ли новообразованные клетки расходятся после деления.

А. Наибольшую разнообразность по этому признаку демонстрируют кокки.

1. Микрококки (монококки) располагаются в мазке беспорядочно (поодиночке).

2. Диплококки располагаются попарно. К диплококкам относятся пневмококки и нейссерии (гонококки и менингококки). Кроме этого, попарное расположение характерно и для энтерококка.

3. Сарцины располагаются в мазке в виде пакетов, число кокков в которых кратно четырём (Рис. 3-12).

4. Стрептококки располагаются цепочками (Рис. 3-13).

5. Стафилококки формируют в мазке беспорядочные группы, сравниваемые обычно с гроздьями винограда.

Б. У палочек гораздо меньше вариантов по этому признаку.

1. Подавляющее большинство из них располагаются в мазке беспорядочно.

2. Клебсиеллы и коринебактерии (а именно – возбудитель дифтерии) располагаются в мазке преимущественно попарно и поэтому называются диплобактериями. При этом для клебсиелл типично расположение в парах друг за другом, а для возбудителя дифтерии – под углом.

3. Бациллы (Рис. 3-14) располагаются в мазке цепочкой (стрептобациллы).

Рис. 3-12. Сарцина	Рис. 3-13. Стрептококки
Рис. 3-14. Бациллы