Nazwa " mikrobiologia" pochodzi od słów greckich
mikros- mały, bios – życie, logos – nauka.
Jest to dział biologii zajmujący się
istotami dostrzegalnymi jedynie okiem uzbrojonym. Obecnie
mikrobiologia zajmuje się drobnoustrojami należącymi do świata:
- roślinnego , tj. pierwotniaki roślinne, drożdże, pleśnie ( mykologia, mykos- grzyb)
- zwierzęcego , tj. pierwotniaki zwierzęce (patozoologia- działa zoologii, protos- pierwszy, zoon- zwierzęcy)
- drobnoustrojami stojącymi na pograniczu świata roślin i zwierząt-zajmuje się tym dział mikrobiologii zwany bakteriologią (bakterion- pałeczka)
Najmniejszymi z dotychczas poznanymi
bezkomórkowymi istotami żywymi WIRUSAMI zajmuje się wirusologia
(virus- jad) będąca pomostem pomiędzy światem ożywionym a
nieożywionym.
Natomiast RIKETSJAMI, które są na
pograniczu bakterii i wirusów zajmuje się riketsjologia.
V królestw (1959r) R. Whittakera
- Monera (wiciowce)
- Protista (pierwotniaki)
- Fungi (grzyby)
- Plantae ( rośliny)
- Animalia ( zwierzęta)
wprowadził trzy wyższej rangi
jednostki systematyczne -„domeny” lub „ superkrólestwa
- Bacteria
- Archea
- Eukarya
Ze względów praktycznych
mikrobiologia została podzielona na:
- mikrobiologię lekarską- zajmującą się drobnoustrojami chorobotwórczymi dla człowieka oraz stanowiącymi naturalną florę organizmu ludzkiego, które są niewielkim odsetkiem mikroorganizmów występujących w przyrodzie. W ramach mikrobiologii lekarskiej wydzielona jest dodatkowo mikrobiologia praktyczna.
- mikrobiologia weterynaryjna- zajmuje się drobnoustrojami występującymi wśród zwięrząt w tym i chorobotwórczymi
- mikrobiologia rolnicza- mikroflora gleby, wody, nawozów, pasz, żywności, szkodliwością i pożyteczną stroną pochodzenia roślinnego i zwierzęcego
- mikrobiologia przemysłowa- drobnoustroje wykorzystywane w przemyśle fermentacyjnym, mleczarskim, piekarniczym, spirytusowym, piwowarskim, winiarskim, farmaceutycznym, spożywczym
Antonii van Leeuwenhoek w 1686
r. jako pierwszy zobaczył , narysował i opisał „małe pałeczki”
(stąd nazwa bacterion). Wykorzystał do tego własnej konstrukcji
mikroskop (to był fenomen na tamte czasy, powiększał aż o 300
razy)
Po opisaniu przez niego bakterii ,
kolejny lekarz, Anglik Edward Jenrier (1749-1823) opracował
metodę zapobiegania ospie prawdziwej. Był to okres przed odkryciem
i opisaniem drobnoustrojów wywołujących choroby zakaźne u
dojarek, które wcześniej przechorowały zakażenie po kontakcie z
chorymi krowami. Naukowiec czynnie zakażał inne osoby wydzieliną
ze zmian występujących u krów, uzyskując odporność ludzi na
zakażenia ospą ludzką (1798)
Ten schemat postępowania
profilaktycznego w odniesieniu do chorób zakaźnych do dzisiaj jest
podobny.
Do celów bakteriologicznych mikroskop
został wykorzystany dopiero przez francuskiego chemika Ludwika
Pasteura (1822-1893), który uważany jest za twórcę
współczesnej mikrobiologii. Jego odkrycia miały fundamentalne
znaczenie dla rozwoju mikrobiologii , ponieważ
- obalił teorię samorództwa w wyniku stosowania metody wyjaławiania (sterylizacji) pożywek
- wyosobnił w 1877r. Po raz pierwszy czyste hodowle drobnoustrojów
- wprowadził szczepionkę przeciwko cholerze kur, wąglikowi (1881) oraz przeciw wściekliźnie (1885) wskazując drogę zapobiegania chorobom zakaźnym.
Pasteur wprowadził do prac badawczych
i użytkowych hodowle bakterii na sztucznych podłożach, co
pozwalało je izolować i hodować. Swoimi pracami umożliwił
poznanie etiologii bakteryjnych i wirusowych chorób zakaźnych , ale
przede wszystkim wskazał metody zapobiegania i zwalczania tych
chorób, co zapoczątkowało rozwój IMMUNOLOGII.
Prace Pasteura wykorzystał
angielski chirurg Józef Lister (1827- 1912), który w 1867 r.
wprowadził metodę odkażania przed operacją chirurgiczną
ludzkiego ciała, używając fenolu jako antyseptyka.
Drugim zasłużonym dla
mikrobiologii uczonym obok Pasteura , współcześnie mu żyjącym
był niemiecki lekarz ROBERT KOCH (1843-1919)- twórca
nowoczesnej techniki mikrobiologicznej. Wprowadził on do hodowli
bakterii podłoża stałe jak agar, żelatynę, surowicę ściętą,
ziemniaki. Jednak Robert Koch zasłyną jako odkrywca PRĄDKA
GRUŹLICY (1883) i wykorzystania tuberkuliny w diagnostyce
gruźliczej. Ponadto odkrył przecinkowca cholery azjatyckiej w
1867r.
Ludwik Pasteur i Robert Koch
wskazali swoimi badaniami kierunki walki z chorobami zakaźnymi.
Erę badań w mikrobiologii opartą na
badaniach w mikroskopie elektronowym otworzył w 1938r. F Ruska, co
pozwoliło poznać dokładniej strukturę bakterii.
Kamieniem węgielnym w rozwoju
mikrobiologii było odkrycie w 1929r przez Fleminga PENICYLINY
uzyskanej z hodowli pleśni co uruchomiło badania poszukujące
antybakteryjnych substancji wytwarzanych przez pleśnie i grzyby.
Inną grupę czynników
antybakteryjnych odkrył w 1934r. - Domagk – chemioterapeutyk z
grupy sulfonamidów.
BAKTERIE
Bakterie to najmniejsze organizmy żywe.
Jako prokariota różnią się od eukariotów tym , że mają inną
strukturę aparatu genetycznego. Nie mają prawdziwego otoczonego
błoną jądra komórkowego, lecz znacznie prostsza strukturę,
ulokowaną w centralnej części komórki , nieosłoniętą błoną,
kolistą cząsteczkę DNA, zwaną NUKlEOIDEM.
Organizmy o takiej prostej strukturze
aparatu genetycznego , czyli nie posiadające prawdziwego jądra
komórkowego nazywamy właśnie PROKARIOTAMI.
Struktura komórki prokariotycznej
jest prosta.
Komórka bakteryjna zawiera 80% wody i
20% masy suchej.
Masę suchą stanowią: białka 50%,
tłuszcze 10%, RNA 10-20%, DNA 3-4 %.
Głównymi pierwiastkami bakterii są:
węgiel 50%, tlen 20%, azot 10-15%, wodór 10%, fosfor 2-6%
Wielkość komórki bakteryjnej określa
się w mikrometrach.
1 mikrometr = 1 milionowa metra
1 um= 0,001 mm
Długość komórki od 0,5 do 10 um,
szerokość 0,4-1 um
Najmniejsze bakterie mają rozmiary
rzędu 0,2 um (Chlamydia)
Chlamydie- to bakterie
wewnątrzkomórkowe , nie wytwarzają własnego ATP, lecz wymieniają
swoje ADP na ATP gospodarza, w którym mieszkają (powikłania ciąży,
stan zapalny narządów rodnych, niepłodność, ziarnica weneryczna)
Chlamydia trachomadis przenoszą się
droga płciową, w czasie porodu lub przez bezpośredni kontakt z
chorym.
Największe bakterie osiągają rozmiar
100 , a nawet 600 um.
Wyróżniamy 3 zasadnicze kształty
bakterii:
- kuliste
- cylindryczne
- spiralne
Kształt komórek bakteryjnych jest
typowy dla gatunku lub rodzaju, lecz istnieją gatunki bakterii
PLEOMORFICZNYCH, których kształty komórki są zmienne przybierając
różne kształty.
Bakterie kuliste
(ziarniaki)
Mogą mieć kształt kuli, owalu lub
nerkowaty (np. rodzaj Neisseria)
- paciorkowce ( Streptococcus)
- gronkowce ( Staphylococcus)
- dwoinki ( Diplococcus)
- pakietowce ( Sarcina)
Niektóre komórki nie oddzielają się
od siebie po podziale i pozostają połączone w różne układy:
- podwójnych ziarniaków (dwoinka)
- łańcuszków ( paciorkowiec)
- nieregularnych skupień ( gronkowiec)
- regularnych skupień typu czworaczków lub sześcianów ( pakietowiec)
Bakterie cylindryczne
występują w formie :
- pałeczek – są to bakterie cylindrów nie wytwarzające przetrwalników
- laseczek- bakterie cylindryczne wytwarzające przetrwalniki
Pałeczka – Escherichia coli,
pałeczka okrężnicy
Laseczka – Bacillus anthracis,
laseczka wąglika
Grupa laseczek może wykazywać
odchylenia kształtu idealnego cylindra w wyniku tworzenia się
wewnątrzkomórkowych przetrwalników o średnicy większej od
średnicy walca. W ten sposób otrzymujemy komórki o kształcie
maczugi ( Corynebacterium dipheriae- maczugowiec
błonnicy).
W tej grupie bakterie mogą być
krótkie, prawie kuliste lub długie nitkowate. Zakończenie bakterii
może być ostro ścięte, zaokrąglone lub maczugowate.
Bakterie
spiralne
W zależności od wymiaru podłużnego
komórki wyróżniamy:
- przecinkowce (Vibrio)- komórki krótkie stanowiące wycinek spirali, kształt przecinka
- śrubowce ( Spirillum)- komórki o średniej wielkości, o kilku skrętach
- krętki ( Spirocheta) – komórki bardzo długie , w postaci sprężyny o regularnych skrętach
U bakterii cylindrycznych i spiralnych
na zróżnicowanie kształtów komórek ma też wpływ proporcja
szerokości do długości
- cylindryczne – prawie kuliste lub długie nitki
- spiralne- przecinkowce ( Vibrio choleae- cholera), krętki ( Treponema pallidum- krętek biały powodujący kiłę), śrubowce ( Rhodospirullum rubrum)
Bakterie dzięki temu, że są tak małe
mają bardzo szybkie tempo przemiany materii, więc mogą szybko
również rozmnażać się ( rozrastać).
Budowa
Budowa bakterii – 1. Pile, 2. Plazmid, 3. Rybosomy, 4. Cytoplazma, 5. Błona zewnętrzna, 6. Ściana komórkowa, 7. Otoczka, 8. Nukleoid, 9. Wić
Istnieją takie elementy strukturalne
komórki bakteryjnej, które występują u wszystkich bakterii, mają
identyczną budowę. Z kolei budowa innych elementów komórki
znacznie różni się dla poszczególnych grup bakterii. Zwykle to
zróżnicowanie ma odzwierciedlenie w modelach działania bakterii.
Uniwersalnym składnikiem dla każdej
komórki bakteryjnej jest CYTOPLAZMA otoczona BŁONĄ
cytoplazmatyczną. Cytoplazma nie może istnieć bez błony więc
można spotkać się z terminem CYTOPLAST lub PROTOPLAST oznaczające
określenie cytoplazmy i błony łącznie (jako całość).
Cytoplazma jest miejscem gdzie
zachodzą wszystkie procesy metaboliczne komórki. Ma budowę
koloidową, występują w niej białka, lipidy, polisacharydy,
wakuole, substancje zapasowe, rybosomy, mezosomy.
Cytoplazma bakterii nie zawiera
systemu błon wewnętrznych, czyli tzw. retikulum endoplazmatycznego
typowego natomiast dla komórek eukariotycznych.
Na terenie cytoplazmy zawsze występują
rybosomy oraz nukleoid, a u niektórych bakterii także inne pełniące
specjalne funkcje struktury, np. endospory, granulki materiałów
zapasowych, chromatofory (czyli ciałka zawierające
barwniki), karboksysomy, tylakoidy (pęcherzyki wypełnione
chlorofilem u roślinnych), wakuole (pęcherzyki) gazowe, a nawet
inkluzje substancji owadobójczych.
Rybosom bakteryjny
Są to ziarnistości o średnicy ok.
20nm (nanometrów). Z reguły ich średnicę podajemy w jednostkach S
(SVENDBERGA), określających tempo ich sedymentacji (
osiadania podczas ich wirowania w ultrawirówkach)
Są dość liczne, bo ok. 10 000 na
komórkę. Rybosomy z białkiem tworzą podjednostki 30 S i 50 S.
Mogą tworzyć agregaty.
70 % masy rybosomu stanowi RNA, zwane
rybosomowym, czyli rRNA. W podjednostce małej występuje jeden jego
rodzaj 16 S rRNA, a w podjednostkach dużych dwa rodzaje 5 S rRNA i
23 S rRNA. Na pozostałą masę rybosomu składają się białka.
Nukleoid
Materiałem genetycznym bakterii
jest kwas DNA, który jest powiązany z błoną komórkową
bakterii. Twór ten nazywany jest CHROMOSOMEM bakteryjnym
(nukleoidem). Jest on o budowie kolistej, zamkniętej, w postaci
skręconego dwuniciowego łańcucha DNA. Komórka bakteryjna jest
HAPLOIDEM, tzn, każdy gen występuje tylko w jednej kopii
(jeden chromosom zawierający informacje o najważniejszych cechach
dziedzicznych , przekazywanych komórkom potomnym).
Przez odpowiednią kolejność par
zasad DNA zapisana jest cała podstawowa informacja genetyczna
sterująca działaniem każdej bakterii.
GENOFOR- duża, kolista,
nieupakowana cząsteczka DNA
PLAZMIDY- małe cząsteczki DNA
Najbardziej widoczna cecha to BRAK
BŁONY JĄDROWEJ oddzielającej nukleoid od cytoplazmy. Tworzy on
określoną strukturę . Cała informacja zawarta jest w jednej
długiej cząsteczce chromosomu. Cała długość długość
chromosomu często przewyższa długość komórki. Zmieszczenie go w
komórce udaje się dzięki specjalnym białkom , wokół których
owinięty jest DNA i dzięki RNA. Z nukleoidem związane są też
liczne białka enzymatyczne uczestniczące w replikacji i naprawie
DNA, a także białka biorące udział w transkrypcji.
Plazmidy
Są elementami genetycznymi,
zbudowanymi z kolistych cząsteczek DNA znajdującymi się w
cytoplazmie i nie są związane z nukleoidem. Zawierają geny
określające również właściwości biologiczne bakterii, np.
warunkujące oporność na chemioterapeutyki, warunkujące zdolność
do koniugacji (przekazywanie fragmentów DNA) bakterii.
Mogą być one wymieniane między
komórkami. Nie wszystkie szczepy gatunków zawierają plazmidy.
Transpozony
„wędrujące geny”- są to
fragmenty (sekwencje) DNA przemieszczające się z jednego miejsca w
genomie na inne , tej samej komórki , w wyniku procesu TRANSPOZYCJI.
Powoduje to często mutacje i może zmieniać ilość DNA w genomie.
Są odpowiedzialne za oporność na chemioterapeutyki.
Błona komórkowa
Wszystkie elementy we wnętrzu komórki
otoczone są błoną cytoplazmatyczną, która stanowi integralną
część protoplastu. Osłona ta zbudowana jest z podwójnej warstwy
lipidowej (fosfolipidy i triglicerydy), w którą wbudowane są
białka.
Białka mogą być w warstwie
lipidowej zanurzone tylko częściowo, bądź przenikać przez całą
jej grubość. W błonach komórek bakteryjnych BRAK JEST
CHOLESTEROLU.
Błona komórkowa nie tylko ochrania
cytoplazmę. Odgrywa także ważną rolę w metabolizmie komórki.
Kontroluje ona wnikanie substancji do wnętrza oraz ich usuwanie. W
transporcie substancji do komórki uczestniczą białka błony o
różnym stopniu swoistości wobec substancji , która transportują.
Błona w niektórych miejscach wpukla
się do środka komórki, tworząc MEZOSOMY (odpowiedzialne za
procesy metaboliczne)
Ściana komórkowa
Ochrania protoplast przed
mechanicznymi i osmotycznymi uszkodzeniami. Otacza komórkę jako
sztywny ale elastyczny worek.
Charakterystycznym składnikiem
bakteryjnej ściany komórkowej jest MUREINA, będąca tzw.
peptodoglikanem. Mureina pełni rolę mechanicznego szkieletu ściany
komórkowej i jest przeplatana i innymi związkami chemicznymi.
Wśród bakterii wyróżniamy 2 typy
strukturalnej organizacji ściany kom. , które są charakterystyczne
i stanowią ważny element diagnostyczny.
+
U bakterii Gramm- dodatnich
mureina jest ułożona w grubą warstwę wraz z kwasami
tejchojowymi, wielocukrami, lipidami i niewielką ilością białek.
Bakterie Gramm- dodatnie <
gronkowce, paciorkowce, laseczka tężca (Clostrinum tetani),
laseczki zgorzeli gazowej ( clostridum perfringens), laseczka
wąglika, maczugowiec błonnicy, prątek gruźlicy, prątek trądu.
-
U bakterii Gramm- ujemnych ściana
komórkowa jest cienka, a mureina występuje w postaci jednej
warstwy. W skład ściany wchodzą duże ilości lipoprotein,
liposacharydów i innych lipidów, które są przyłączone do
zewnętrznej powierzchni mureiny.
MUREINA NIE JEST SPOTYKANA W ŻADNEJ
INNEJ GRUPIE ORGANIZMÓW ŻYWYCH POZA BAKTERIAMI !
Mureina jest jedynym celem działania
antybiotyku (penicyliny), hamującej syntezę peptydoglikagonu.
Penicylina zabija tylko te bakterie ( i
to tylko te „dorosłe” w trakcie podziału) bez uszkadzania
innych komórek żywych, czyli likwiduje tylko te z mureiną
(bakterie).
Bakterie Gramm- ujemne <pałeczki
Samonelli, pałeczki Brucella, krętek blady, paleczka okrężnicy,
pałeczki dżumy, przecinkowiec cholery, pałeczka Helicobacter
pylorii, pałeczka krwawa
Jak rozpoznaje się bakterie?
Aby dowiedzieć się jaki jest typ
ściany komórkowej bez skomplikowanych badań wystarczy
przeprowadzić różnicujące barwienie preparatu bakterii na
szkiełku mikroskopowym. Jeśli badane komórki (roztwór jodu w
jodku potasu) będą fioletowe to zaliczymy je do bakterii Gramm +, a
jeśli czerwone to Gramm -
Badanie w jodku nosi nazwę BARWIENIE
GRAMMA , stąd też nazwa komórek bakteryjnych.
Bakterie Gramm – ujemne jako jedyne w
ścianie komórkowej mają dodatkową ochronę – błonę
zewnętrzną. Jest to dwuwarstwowa błona (fosfolipidy i
lipopolisacharydy) LPS i jest to bariera , przez którą może
przenikać tylko woda i niektóre gazy. Wszystkie inne cząsteczki
dostają się do komórki przez specjalne kanały (pory) zbudowane z
białek zwanych PORYNAMI.
Otoczka
Powierzchnia komórek bakteryjnych
pokryta jest jeszcze warstwą wielocukrów lub substancji białkowych,
zwaną OTOCZKĄ lub śluzem. Warstwa ta chroni bakterie przed
wysychaniem, fagocytozą przez komórki układu odpornościowego, np.
makrofagi walczące z bakteriami. Ułatwia to także bakteriom
przyczepianie się, np. do nabłonka jelit czy pęcherzyków
płucnych.
ADHEZJA- przytwierdzanie się bakterii
do powierzchni.
Warstwa wierzchnia komórki bakteryjnej
decyduje o jej zjadliwości.
Zjadliwość bakterii (wirulencja)-
zdolność wnikania , namnożenia się i uszkodzenia tkanek
zainfekowanego organizmu przez dany typ patogenu.
Fimbrie
Poza osłony komórki wystają często
wyrostki, których są dwa rodzaje:
- Fimbrie - uczestniczą w procesie adhezji do powierzchni oraz innych komórek. Służą do pobierania pokarmu. Mają postać nitkowatą, zbudowane z białka. Wystepują TYLKO U BAKTERII GRAMM – UJEMNYCH oraz wyjątkowo u Streptococcus, Corynebacterium. Białko fimbrii jest swoistym immunogenem.
- Fimbrie płciowe (Pile) zwane PILUSEM PŁCIOWYM – (męskie F+ i komórki F-) warunkują przekazywanie plazmidowego genu do komórki bakteryjnej biorcy w procesie koniugacji.Fimbrie płciowe mają w swojej strukturze kanał, przez który jest przekazywane DNA- kanał plazmidowy- kanał transpozonowy- kanał bakteriofagowy
Rzęski
To drugi typ wyrostków na powierzchni.
Stanowią ruch bakterii z szybkością 3,12 mm/ min.
Są to nitkowate twory zbudowane z
białka (flagelina). Wyrastają z ciałka podstawowego
wbudowanego w błonę cytoplazmatyczną, następnie przechodzą przez
ścianę komórkową.
Liczba skrętów i skład
aminokwasowy flageliny są swoiste dla rodzaju, gatunku i serotypu
danej bakterii.
Serotyp- odmiana
mikroorganizmu, którą można określić za pomocą reakcji
serologicznych
Obecność rzęsek jest cechą
gatunkową, zawierają antygeny wykorzystywane w klasyfikacji
bakterii.
Na odstawie liczby i sposobu
rozmieszczenia rzęsek, bakterie dzielimy na:
- bezrzęse, jednorzęse, dwurzęse, czuborzęse, okołorzęse
Rzęski odpowiedzialne są za zjawisko
CHEMOTAKSJI , tj. poruszania się w kierunku substancji
odżywczych i oddalania się od substancji szkodliwych.
Endospory
Są to PRZETRWALINKI bakterii Gramm –
dodatnich.
Wytwarzane przez przez te bakterie
wewnątrzkomórkowe formy przetrwalne o niezwykłej oporności w
warunkach niekorzystnych. Odporne nawet na wysoką temperaturę.
Dopiero w autoklawach można je zniszczyć powyżej 100 stopni
Celsjusza.
Bacillus ( wąglik), Clostridium (
tężec) , Helicobacterium- są odporne na ekstremalne warunki
fizyczne oraz na działanie substancji chemicznych. Mogą przeczekać
na korzystne warunki nawet milion lat, nawet gdy znajdą się w
próżni w kosmosie .
Endospora składa się z cytoplazmy
wraz z DNA i rybosomów. Otoczona jest nieprzepuszczalną ścianą.
Jeżeli trafi na dogodne warunki to rozwija się i powstają żywe
komórki.
Zycie utajone endosporów to ANABIOZA.
Bakterie
odgrywają ważną rolę w obiegu biogennych pierwiastków. Biorą
udział w podtrzymywaniu wszystkich cykli biogeochemicznych oraz w
procesach fermentacji i gnicia. Jako symbionty żyjące w
organizmach zwierząt, w tym ludzi, odpowiadają m.in. za trawienie
pokarmów, umożliwiając lub przynajmniej ułatwiając w ten sposób
ich odżywianie. Są producentami różnych ważnych dla
funkcjonowania ekosystemu substancji, np. niektórych witamin.
Niektóre bakterie mogą zakłócać funkcjonowanie organizmów,
powodując u nich choroby. W przemyśle i biotechnologii bakterie są
niezwykle cenione, w tym przy biologicznym oczyszczaniu ścieków
oraz przy wytwarzaniu produktów spożywczych, np. jogurtu i sera.
Stosunkowo łatwo poddają się manipulacjom genetycznym, dzięki
czemu mogą być wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym do
produkcji peptydów i białek,
które trudno uzyskać z innych źródeł. Modyfikowane genetycznie
bakterie są producentami, między innymi insuliny (stosowanej jako
lek w terapii cukrzycy).
Świetnie napisane. Pozdrawiam serdecznie.
OdpowiedzUsuń