Микробиология

1. Постоянные компоненты бактериальной клетки, их функции. Особенности строения ГР+ и Гр-бактерии

2. Энергетический обмен микробов. Способы получения энергии — брожение, дыхание. Типы дыхания бактерий

3. Влияние на микробную клетку ядовитых веществ. Консерванты

4. Стафилококковая интоксикация. Характеристика возбудителя и его токсина. Продукты — причина отравления, профилактические мероприятия

1. Постоянные компоненты бактериальной клетки, их функции. Особенности строения ГР+ и Гр-бактерии

Клетка бактерий одета плотной оболочкой. Этот поверхностный слой, расположенный снаружи от цитоплазматической мембраны, называют клеточной стенкой. Стенка выполняет защитную и опорную функции, а также придает клетке постоянную, характерную для нее форму (например, форму палочки или кокка) и представляет собой наружный скелет клетки. Эта плотная оболочка роднит бактерии с растительными клетками, что отличает их от животных клеток, имеющих мягкие оболочки. Внутри бактериальной клетки осмотическое давление в несколько раз, а иногда и в десятки раз выше, чем во внешней среде. Поэтому клетка быстро разорвалась бы, если бы она не была защищена такой плотной, жесткой структурой, как клеточная стенка.

Толщина клеточной стенки 0,01−0,04 мкм. Она составляет от 10 до 50% сухой массы бактерий. Количество материала, из которого построена клеточная стенка, изменяется в течение роста бактерий и обычно увеличивается с возрастом.

Основным структурным компонентом стенок, основой их жесткой структуры почти у всех исследованных до настоящего времени бактерий является муреин (гликопептид, мукопептид). Это органическое соединение сложного строения, в состав которого входят сахара, несущие азот, — аминосахара и 4−5 аминокислот. Причем аминокислоты клеточных стенок имеют необычную форму (D-стереоизомеры), которая в природе редко встречается.

Составные части клеточной стенки, ее компоненты, образуют сложную прочную структуру.

С помощью способа окраски, впервые предложенного в 1884 г. Кристианом Грамом, бактерии могут быть разделены на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Грамположительные организмы способны связывать некоторые анилиновые красители, такие, как кристаллический фиолетовый, и после обработки иодом, а затем спиртом (или ацетоном) сохранять комплекс йод-краситель. Те же бактерии, у которых под влиянием этилового спирта этот комплекс разрушается (клетки обесцвечиваются), относятся к грамотрицательным.

Химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий различен.

У грамположительных бактерий в состав клеточных стенок входят, кроме мукопептидов, полисахариды (сложные, высокомолекулярные сахара), тейхоевые кислоты (сложные по составу и структуре соединения, состоящие из сахаров, спиртов, аминокислот и фосфорной кислоты).

Стенки грамотрицательных бактерий более сложные по химическому составу, в них содержится значительное количество липидов (жиров), связанных с белками и сахарами в сложные комплексы — липопротеиды и липополисахариды. Муреина в клеточных стенках грамотрицательных бактерий в целом меньше, чем у грамположительных бактерий. Структура стенки грамотрицательных бактерий также более сложная. С помощью электронного микроскопа было установлено, что стенки этих бактерий многослойные.

Внутренний слой состоит из муреина. Над ним находится более широкий слой из неплотно упакованных молекул белка. Этот слой в свою очередь покрыт слоем липополисахарида. Самый верхний слой состоит из липопротеидов.

Клеточная стенка проницаема: через нее питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена выходят в окружающую среду. Крупные молекулы с большим молекулярным весом не проходят через оболочку.

Клеточная стенка многих бактерий сверху окружена слоем слизистого материала — капсулой. Толщина капсулы может во много раз превосходить диаметр самой клетки, а иногда она настолько тонкая, что ее можно увидеть лишь через электронный микроскоп, — микрокапсула.

Капсула не является обязательной частью клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она служит защитным покровом клетки и участвует в водном обмене, предохраняя клетку от высыхания.

По химическому составу капсулы чаще всего представляют собой полисахариды. Иногда они состоят из гликопротеидов (сложные комплексы сахаров и белков) и полипептидов (род Bacillus), в редких случаях — из клетчатки (род Acetobacter).

Слизистые вещества, выделяемые в субстрат некоторыми бактериями, обусловливают, например, слизисто-тягучую консистенцию испорченного молока и пива.

Все содержимое клетки, за исключением ядра и клеточной стенки, называется цитоплазмой. В жидкой, бесструктурной фазе цитоплазмы (матриксе) находятся рибосомы, мембранные системы, митохондрии, пластиды и другие структуры, а также запасные питательные вещества. Цитоплазма обладает чрезвычайно сложной, тонкой структурой (слоистая, гранулярная). С помощью электронного микроскопа раскрыты многие интересные детали строения клетки.

Внешний липопротеидный слой протопласта бактерий, обладающий особыми физическими и химическими свойствами, называется цитоплазматической мембраной

Через мембрану питательные вещества могут поступать в клетку в результате активного биохимического процесса с участием ферментов. Кроме того, в мембране происходит синтез некоторых составных частей клетки, в основном компонентов клеточной стенки и капсулы. Наконец, в цитоплазматической мембране находятся важнейшие ферменты (биологические катализаторы). Упорядоченное расположение ферментов на мембранах позволяет регулировать их активность и предотвращать разрушение одних ферментов другими. С мембраной связаны рибосомы — структурные частицы, на которых синтезируется белок.

Между плазматической мембраной и клеточной стенкой имеется связь в виде десмозов — мостиков. Цитоплазматическая мембрана часто дает инвагинации — впячивания внутрь клетки. Эти впячивания образуют в цитоплазме особые мембранные структуры, названные мезосомами. Некоторые виды мезосом представляют собой тельца, отделенные от цитоплазмы собственной мембраной. Внутри таких мембранных мешочков упакованы многочисленные пузырьки и канальцы. Эти структуры выполняют у бактерий самые различные функции. Одни из этих структур — аналоги митохондрий. Другие выполняют функции эндоплазматической сети или аппарата Гольджи. Путем инвагинации цитоплазматической мембраны образуется также фотосинтезирующий аппарат бактерий. После впячивания цитоплазмы мембрана продолжает расти и образует стопки (табл. 30), которые по аналогии с гранулами хлоропластов растений называют стопками тилакоидов. В этих мембранах, часто заполняющих собой большую часть цитоплазмы бактериальной клетки, локализуются пигменты (бактериохлорофилл, каротиноиды) и ферменты (цитохромы), осуществляющие процесс фотосинтеза.

В цитоплазме бактерий содержатся рибосомыбелок-синтезирующие частицы диаметром 200 A. В клетке их насчитывается больше тысячи. Состоят рибосомы из РНК и белка. У бактерий многие рибосомы расположены в цитоплазме свободно, некоторые из них могут быть связаны с мембранами.

Рибосомы являются центрами синтеза белка в клетке. При этом они часто соединяются между собой, образуя агрегаты, называемые полирибосомами или полисомами.

У многих бактерий гранулы состоят из крахмала крахмала или других полисахаридов — гликогена и гранулезы. У некоторых бактерий при выращивании на богатой сахарами среде внутри клетки встречаются капельки жира. Другим широко распространенным типом гранулярных включений является волютин (метахроматиновые гранулы).

2. Энергетический обмен микробов. Способы получения энергии — брожение, дыхание. Типы дыхания бактерий

Жизненные функции микроорганизмов: питание, дыхание, рост и размножение — изучает физиология. В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ (метаболизм). Сущность обмена веществ составляют два противоположных, но взаимосвязанных процесса: ассимиляция (анаболизм) и диссимиляция (катаболизм).

Ассимиляция — это усвоение питательных веществ и использование их для синтеза клеточных структур.

При процессах диссимиляции питательные вещества разлагаются и окисляются, при этом выделяется энергия, необходимая для жизни микробной клетки. Все процессы синтеза и распада питательных веществ совершаются с участием ферментов. В микроорганизмах происходит интенсивный обмен веществ, за сутки 1 микробная клетка может переработать питательных веществ, которые в 30—40 раз больше ее массы.

Микробная клетка использует питательные субстраты для синтеза составных частей своего тела, ферментов, пигментов роста.

Типы питания бактерий определяются по характеру усвоения углерода и азота. По усвоению углерода бактерии делят на 2 типа: аутотрофы, или литотрофы, — бактерии, использующие в качестве источника углерода СО2 воздуха.

Гетеротрофы, или органотрофы, — бактерии, которые нуждаются для своего питания в органическом углероде (углеводы, жирные кислоты). По способности усваивать азот микроорганизмы делятся на 2 группы: аминоавтотрофы и амоногетеротрофы. Аминоавтотрофы — для синтеза белка клетки используют молекулярный азот воздуха или усваивают его из аммонийных солей. Аминогетеротрофы — получают азот из органических соединений — аминокислот, сложных белков. Сюда относятся все патогенные микроорганизмы и большинство сапро-фитов.

По характеру источника использования энергии микроорганизмы делятся на фототрофы, использующие для биосинтетических реакций энергию солнечного света, и хемотрофы.

Хемотрофы получают энергию за счет окисления неорганических веществ (нитрифицирующие бактерии и др.) и органических соединений (большинство бактерий, в том числе и патогенного для человека вида).

Графологическая структура «Питание бактерий» по характеру усвоения углерода по характеру усвоения азота по характеру использования источника энергии аутотрофы гетеротрофы аминоаминофотохемо- (литотрофы) (органотрофы) автотрофы гетеротрофы.

Факторы роста: наряду с пептонами, углеводами, жирными кислотами и неорганическими элементами, бактерии нуждаются в специальных веществах — ростовых факторах, играющих роль катализаторов в биохимических процессах клетки и являющихся структурными единицами при образовании некоторых ферментов. К факторам роста относятся различные витамины, некоторые аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания и др.

Дыхание (или биологическое окисление) — это сложный процесс, который сопровождается выделением энергии, необходимой микроорганизмам для синтеза различных органических соединений. Бактерии, как и высшие животные, для дыхания используют кислород. Однако Л. Пастером было доказано существование таких бактерий, для которых наличие свободного кислорода является губительным, энергия, необходимая для жизнедеятельности, получается ими в процессе брожения.

Все бактерии по типу дыхания подразделяются на об-лигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы. Облигатные (строгие) аэробы развиваются при наличии в атмосфере 20% кислорода (микобактерии туберкулеза), содержат ферменты, с помощью которых осуществляется перенос водорода от окисляемого субстрата к кислороду воздуха.

Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем количестве кислорода, и его высокая концентрация хотя и не убивает бактерии, но задерживает их рост (актиноисцеты, бруцеллы, лептоспиры).

Факультативные анаэробы могут размножаться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода (большинство патогенных и сапрофитных микробов — возбудители брюшного тифа, паратифов, кишечная палочка).

Облигатные анаэробы — бактерии, для которых наличие молекулярного кислорода является губительным (клостри-дии столбняка, ботулизма).

Аэробные бактерии в процессе дыхания окисляют различные органические вещества (углеводы, белки, жиры, спирты, органические кислоты и пр.).

Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с образованием небольшого количества энергии. Процессы разложения органических веществ в безкислородных условиях, сопровождающиеся выделением энергии, называют брожением. В зависимости от участия определенных механизмов различают следующие виды брожения: спиртовое, осуществляемое дрожжами, молочно-кислое, вызываемое мол очно-кислыми бактериями, масляно-кислое и пр.

С выделением большого количества тепла при дыхании некоторых микроорганизмов связаны процессы самовозгорания торфа, навоза, влажного сена и хлопка.

3. Влияние на микробную клетку ядовитых веществ. Консерванты

Токсины бактерий — биологически активные вещества, которые могут вызывать разнообразные патологические изменения в структуре и функциях клеток, тканей, органов и целого макроорганизма чувствительного животного или человека. Сведения о механизмах действия бактериальных токсинов ограничены: известно, что у части токсинов активность обусловлена их ферментативными свойствами.

Грамположительные бактерии обычно активно секретируют в токсины во время роста, что приводит к их накоплению в среде обитания. Токсины грамотрицательных бактерий (например, кишечного семейства) связаны с липополисахаридным компонентом клеточной стенки.

В начале XX столетия основными причинами развития болезней человека стали экологическая и генетическая модели. В соответствии с первой, болезни вызываются, главным образом, внешними повреждающими факторами, а второй — внутренними, врожденными. Поэтому меры профилактики были направлены на устранение этих факторов, в первую очередь, внешних, а меры лечения — на нейтрализацию действия этих факторов в организме.

Начиная с 50-х годов нашего столетия обозначились новые причины в возникновении заболеваний. Появились и стали доминировать хронические болезни, прежде всего: атеросклероз и его осложнения (инфаркт, инсульт), рак, ожирение, сахарный диабет, гипертоническая болезнь. Именно эти заболевания относят к группе неинфекционных болезней. В настоящее время они составляют более 80% всех случаев смерти человека.

Структура причин заболеваемости и смертности изменилась благодаря социальному прогрессу и успехам медицины в области лечения инфекций, что увеличило продолжительность жизни и привело к развитию многих хронических болезней в среднем и пожилом возрасте.

В соответствии с этими представлениями о причинах болезней разрабатываются меры их профилактики и лечения. Так, например, в отношении профилактики атеросклероза такими мерами являются ограничение в пищевом рационе жиров, глюкозы и холестерина, а при лечении уже возникшей болезни воздействия направляются на усиление выведения холестерина из организма.

Вторая категория болезней — это врожденные, или генетические, болезни. В настоящее время уже известно более 2500 нарушений, локализованных на генетическом или хромосомном уровне, которые вызывают определенные синдромы или болезни, включая главные болезни.

Экологические и генетические болезни характеризуются той особенностью, что они поражают не каждого индивидуума, а лишь определённую их часть в каждой популяции.

При проведении определенных профилактических мер можно добиться существенного снижения доли лиц, поражаемых экологическими и генетическими болезнями. Поскольку причины генетических поломок связывают, прежде всего, с действием повреждающих экологических факторов (радиация, химические и др. мутагены), то понятие «болезни» в этом случае следует трактовать, как нарушение отношений организма и среды его обитания.

Третья категория болезней относиться к группе инволюционных или метаболических нарушений. Это болезни связаны с действием побочных продуктов метаболизма клеток стареющего организма. Одним из наиболее интенсивных источников такого рода повреждающих факторов является образование свободных радикалов, генерируемых в реакциях, идущих с использованием кислорода.

Клетка — это сложнейшая организация с полужестким скелетом из структурных белков, с множеством «каналов», по которым циркулируют токи жидкостей, содержащие простые и сложные молекулы. По ним осуществляются как вещественно-энергетические, так и информационные связи.

Оболочка клетки — не пассивная полунепроницаемая мембрана, а сложная структура с управляемыми из «центра» порами, избирательно пропускающая и даже активно захватывающая вещества извне.

Различают активный и пассивный транспорт веществ через мембрану. Первый осуществляется без затрат энергии (аминокислоты, сахар, нуклеотиды и пр.) и проходят с участием определенных белков-ферментов. Второй требует энергетических затрат клетки путем гидролиза АТФ на АДФ и фосфорную кислоту (катионы натрия, калия, кальция, магния).

Клеточная мембрана состоит из белково-липидных комплексов. Ее барьерная функция обеспечивается за счет гидрофобных компонентов — липидов и некоторых белков (фосфолипиды).

Мембраны являются высокоактивными в метаболическом отношении клеточными структурами. С их участием происходят такие жизненно важные процессы, как транспорт различных веществ внутрь и наружу клеток, рецепция гормонов и других биологически активных веществ, сигнальная трансдукция и пр.

Следует подчеркнуть, что разные типы мембран (плазматические, митохондриальные, эндоплазматические, ядерные и др.) имеют особенности своей структуры, которые определяют их функцию.

Деятельность клетки сводится к многочисленным химическим реакциям, которые протекает под действием своего белка-фермента.

Каждый фермент имеет свое построение и состоит из белковой и кофакторной части, которая состоит либо из металла, или витамина, или аминокислоты.

4. Стафилококковая интоксикация. Характеристика возбудителя и его токсина. Продукты — причина отравления, профилактические мероприятия

Интоксикации следующими микроорганизмами: стафилококками, Bacillus cereus, Clostridium botulinum, Clostridium perfringens, плесневыми грибками. Стафилококковые энтеротоксикозы обусловлены энтеротоксинами, которые выделяются стафилококками. Примерно 10% стафилококков, вызывающих свертывание молока и встречающихся у крупного рогатого скота, образуют энтеротоксины. Серологически различают следующие типы энтеротоксинов — А, В, C1, C2, D, Е и F. Иногда наблюдается также образование токсинов у стафилококков, не вызывающих свертывание молока.

Стафилококковые энтеротоксикозы возможны в том случае, когда число микроорганизмов в молоке, включая стафилококки, составляет свыше 1 млн. в 1 мл и когда оно хранилось 10—12 ч при температуре 30—37°С. При хранении молока при температуре ниже 25 °C в течение 24 ч стафилококковых энтеротоксинов накапливается мало, а при температуре ниже 10 °C энтеротоксины не образуются. Кроме того, возможно торможение в выделении энтеротоксинов под влиянием сопутствующей микрофлоры. В необработанном молоке редко появляются стафилококковые энтеротоксины (хранение в охлажденном виде, сопутствующая микрофлора). Образующиеся токсины не уничтожаются при пастеризации и инактивируются только после кипячения молока в течение часа или в результате автоклавирования в течение 20 мин.

Стафилококковые интоксикации возможны при потреблении сыра (если он приготовлен из необработанного молока), а также кондитерских изделий, приготовленных с применением молока и сливок. Стафилококковые энтеротоксикозы характеризуются следующими симптомами: через 1—6 ч после потребления молока или молочных продуктов наблюдается острый гастроэнтерит с рвотой и судорогами икроножных мышц.

У ослабленных людей может возникнуть опасность коллапса, угрожающего жизни, а у здоровых — симптомы затихают через несколько часов. Споры Bacillus cereus выдерживают пастеризацию и затем могут прорастать при благоприятных температурных условиях. Однако отравления возникают только при числе микроорганизмов более 100 тыс. в 1 мл молока. Такое количество микробов в молоке возможно лишь при определенных условиях, поэтому заболевания, обусловленные обсеменением молока Bacillus cereus, встречаются редко. Кондитерские изделия, приготовленные из молока или молочных продуктов, часто становятся причиной таких

отравлений.

Споры Clostridium perfringens встречаются в молоке часто (в пастеризованном молоке — в 16—18%случаев). Несмотря на это, заболевания, обусловленные содержанием в молоке и молочных продуктах Clostridium perfringens, наблюдаются очень редко. Если молоко и молочные продукты после нагревания хранят некоторое время при температуре 25 °C, то может произойти прорастание спор и сильное размножение вегетативных форм. При стафилококковых интоксикациях заболевание вызывает выделенный из клетки токсин, а при интоксикациях, обусловленных Clostridium perfringens, необходимо, чтобы в молоко попало довольно большое количество возбудителя (по меньшей мере, 1 000 000 —10 000 000). Попавшие в молоко вегетативные клетки размножаются и образуют споры в тонком кишечнике. Энтеротоксин выделяют спорообразующие клетки. После инкубационного периода в течение 8—12 (24) ч наблюдается острый энтерит, который спустя 24— 36 ч затухает.

Споры Clostridium botulinum часто встречаются в молоке. Однако ботулизм, возникающий после потребления молока, наблюдается очень редко. Так, в США из 500 случаев ботулизма только 8 относятся к потреблению молока и молочных продуктов (6 случаев — к потреблению прессованного творога, 2 случая связаны со сгущенным молоком). Clostridium botulinum образуют токсины в определенных условиях, которых как правило, не бывает в молоке и молочных продуктах. В молоке образование токсинов предотвращается наличием кислот. Микотоксины являются естественными продуктами обмена грибков, которые ядовиты для животных. Всюду, где растут плесневые грибки, встречаются микотоксины.

До настоящего времени не установлено, вызывают ли отравление микотоксины, образующиеся в молоке и молочных продуктах. Плесневые грибки, которые используют для приготовления сыров, не образуют микотоксинов. Культурные плесени препятствуют росту плесневых грибков, выделяющих афлатоксины. Технология приготовления эмментальского, тильзитского сыров и сыра честер допускает наличие плесневых грибков на их корке. Однако условий для образования токсинов при созревании и хранении сыров, как правило, не имеется и, кроме того, развитию плесени препятствует технологическая обработка сырной корки (мытье, посолка). В сырах, упакованных каштановыми или виноградными листьями или обсыпанных перцем, может наблюдаться неконтролируемое развитие плесневых грибков, образующих токсины. Если животные потребляют с кормом афлатоксин, то он выделяется с молоком (менее 1%). Выделение афлатоксина заканчивается спустя 24 ч после потребления.

1. Акатов А. К., Зуева В. С. Стафилококки. М.: Медицина, 2003. — 140с.

2. Руководство по инфекционным болезням. / Под ред. В. И. Покровского, К. М. Лобана. — М.: МГУ, 2006. 380с.

3. Фомина И. П. Рациональная антибиотикотерапия, М.: МГУ, 2002. — 220с.

4. Шендеров Б. А. Медицинская микробиология и функциональное питание. Т.1. Микрофлора человека и животных и ее функции. М.: Грант, 1998. — 288с.