Вплив факторів середовища на мікроорганізми

Мікроорганізми краще адаптуються до екстремальних фізичних і хімічних факторів навколишнього середовища, ніж тварини і рослини. Деякі бактерії зберігають життєздатність при температурі до +104°С, в діапазоні рН від 1 до 13, тиску від 0 до 1400 атм., довгостроково живуть в бідистильованої води і у насичених розчинах солей, не гинуть при інтенсивному опроміненні в присутності важких металів, антисептиків, антибіотиків, дезінфектантів. У той же час для кожного виду є спадково обумовлені оптимальні рівні та критичні межі толерантності мікробів до фізичних, хімічних і біологічних факторів.

Дія фізичних факторів

Температурний фактор. Температура має вирішальне значення для регулювання інтенсивності метаболічних реакцій в мікробних клітинах. Залежно від температурних переваг виділяють три групи мікроорганізмів - термофилы, психрофилы і мезофилы. Для термофилов оптимальна температурна зона росту дорівнює 50-60°С, верхня зона затримки росту - 75°С, нижня - 45°С. Термофилы не розмножуються в організмі теплокровних тварин, тому медичного значення не мають.

Психрофилы мають оптимальну температурну зону росту в межах 10-15°С, максимальну зону затримки росту 25-30°С, мінімальну 0-5°С. Психрофилы є вільно живуть організмами або паразитами холоднокровних тварин, але деякі факультативні психрофилы, наприклад ієрсинії, клебсієли, псевдомонади викликають захворювання у людини. Розмножуючись на харчових продуктах при температурі побутового холодильника, ці бактерії нерідко підвищують вірулентність.

Більшість патогенних бактерій - мезофилы. Вони мешкають головним чином в організмі теплокровних тварин. Оптимальна температура їх росту коливається в межах 35-37°С, максимальна 43-45°С, мінімальна 15-20°С. У навколишньому середовищі можуть переживати, але зазвичай не розмножуються. При зниженій температурі пригнічується утворення факторів адгезії (пілей), капсул, антигенів вірулентності та інших структурних елементів, відповідальних за патогенні властивості. Ці зміни оборотні, відновлення ознак відбувається через 2-3 год культивування бактерій при оптимальній температурі.

Критичні температурні параметри неоднакові для різних мікробів. Шкідливу дію високої температури пов'язано з необоротною денатурацією ферментів та інших білків, низькою - з розривом клітинної мембрани кристалами льоду та припиненням метаболічних процесів. Вегетативні форми гинуть при температурі 60-80°С протягом години, при 100°С - миттєво. Спори стійкі до температури 100°С, гинуть при 130°С. Нижня температурна межа загибелі деяких патогенних агентів варіює від -20°С до абсолютного нуля (вірус кору, бактеріальні збудники коклюшу, сифілісу, менінгококової і гонококової інфекції).

Реакція середовища. Більшість симбіонтів людського організму і збудників захворювань добре ростуть при слаболужною, нейтральною або слабокислою реакції. Для вібріонів, в тому числі для збудника холери, оптимальна величина рН 9-10, для більшості грибів - 5-6. При культивуванні мікроорганізмів на поживних середовищах спеціально підтримується оптимальна для конкретного виду величина рН. В процесі розмноження зазвичай відбувається зсув рН в сторону кислого середовища (рідше навпаки), потім зростання припиняється, при подальшому однонаправленому зміні реакції середовища наступає загибель мікроорганізмів.

Вологість і сухість. Ріст і розмноження мікроорганізмів відбуваються у вологих середовищах. Вода необхідна для пасивного і активного транспорту поживних речовин у клітину. Чутливість мікроорганізмів до висушування і терміни переживання на об'єктах зовнішнього середовища в цих умовах залежать від виду і форми збудника - з одного боку, і властивостей об'єкта - з іншого. Спори бактерій зберігаються тривалий час, іноді багато років. Мікобактерії туберкульозу, вірус натуральної віспи, сальмонели, актиноміцети, гриби стійкі до швидкого высушиваниюво зовнішньому середовищі; менінгококи, гонококи, трепонеми, бактерії коклюшу, ортомиксовирусы, парамиксовирусы, герпесвіруси - чутливі до нього.

Разом з тим для тривалого зберігання бактерій, грибів і вірусів застосовують технологію лиофильного висушування. Суть її полягає в заморожуванні культуральнои біомаси в спеціальних середовищах при температурі від -50°С і нижче з подальшим повільним видаленням кристалізованої води у спеціальних вакуумних апаратах. Висушені в ампулах мікроби зберігаються в низькотемпературних холодильниках протягом декількох років і навіть десятиліть. Після додавання рідини до сухої таблетці відбувається регидрата-ція бактеріальних і грибкових клітин з відновленням їх ростових та інших біологічних властивостей.

Іонізуюча радіація. Шкідливу дію радіації залежить передусім від її характеру, у меншій мірі від виду мікроорганізму. Іонізуюча радіація може викликати пошкодження геному бактерій різної глибини - від несумісних з життям дефектів до точкових мутацій. Для мікробних клітин летальні дози в сотні і тисячі разів вище, ніж для тварин і рослин.

Шкідливу дію УФ-випромінюваннянавпаки, в більшій мірі виражено відносно мікроорганізмів, ніж тварин і рослин. УФ-промені у відносно невеликих дозах викликають пошкодження ДНК мікробних клітин, які призводять до мутацій або їх загибелі. Світлове та інфрачервоне випромінювання при інтенсивному і тривалому впливі здатне надати шкідливу вплив лише на деякі мікроорганізми.

Ультразвук. Певні частоти ультразвуку здатні викликати деполімеризацію органел мікробних клітин, а також денатурацию входять до їх складу молекул в результаті локального нагрівання або підвищення тиску. Цей феномен використовується для отримання антигенів шляхом дезінтеграції мікробної клітини.

Тиск. Атмосферний тиск навіть у сотні атмосфер не робить істотного впливу на бактерії. Однак до осмотичному тиску, як підвищеної, так і зниженим вони високочутливі. При цьому відбувається розрив клітинної мембрани і загибель мікробних клітин (осмотичний шок).

Дія хімічних факторів Протимікробну дію мають галогени та їх сполуки, окислювачі, кислоти та їх солі, луги, спирти, альдегіди, солі важких металів, фенол і його похідні, поверхнево-активні речовини, барвники і багато інші хімічні речовини. Вони руйнують найважливіші структурні елементи - клітинну стінку, цитоплазматичну мембрану, нуклеїнові кислоти і інактивують ферменти.

Хіміотерапія вірусних інфекцій

Широко поширені в даний час хіміотерапевтичні препарати, в тому числі антибіотики, виявилися неефективними (за рідкісним винятком) при використанні їх при лікуванні вірусних інфекцій. Це насамперед пов'язано з відсутністю у вірусів власних метаболічних шляхів, що ведуть до отримання енергії і синтезу будівельного матеріалу. Тому немає нічого дивного в тому, що хіміопрепарати, блокуючі опредегнные життєво важливі для того чи іншого мікроорганізму мо-таболические реакції, точніше ферменти, що каталізують ці реакції, не чинить інгібуючої дії на позаклітинні віріони. В той же час різні речовини, які є інгібіторами реплікації ДНК або процесів транскрипції і трансляції інформації на рибосоми, можуть надавати інгібуючу дію при репродукції вірусних частинок в клітині господаря. Внаслідок того що багато з цих речовин пригнічують життєдіяльність самої клітини, шх не можна використовувати в якості хіміотерапевтичних засобів. Як було зазначено, деякі віріони містять у своєму складі вирусос-эецифические ферменти або несуть інформацію, необхідну для аштеза ферментів у клітині господаря, що каталізують реакції біосинтезу вирусспецифических продуктів (ферментів і будівельних білків).

Дослідження інгібіторів даних реакцій обмежена тим, що вирусспецифические ферменти мають велику структурне і функціональне схожість з подібними ферментами (ДНК-полімераза, ДНК-залежна РНК-полімераза і ін) клітини господаря - вони майже однаковою мірою пригнічуються відповідними інгібіторами. Однак, незважаючи на згадані проблеми, в даний час отримано ряд препаратів, які за механізмом противірусної дії можна розділити на кілька груп.

• Вирулоцидные препарати, що діють на позаклітинні віріони. До них відносяться оксолін, який діє на риновіруси, герпесвіруси і міксовіруси, і тетрофеин, що діє на віруси, адено та герпесвіруси. Однак їх застосування обмежене, оскіль ки ці препарати токсичні.
• Препарати, що блокують адсорбцію вірусу на рецепторах клітини господаря. На цій стадії використовують так звані «фальшиві рецептори, які являють собою структурні аналоги вірусних рецепторів, які, адсорбуючись на рецепторах (лігандах) клітин, тим самим перешкоджають адсорбції вірусу. Поки що відомий лише один такий аналог рецептора CD4, на якому адсорбується ВІЛ.
• Препарати, що порушують процес «роздягання» вірусів. До них відноситься ремантадин, активний проти вірусу грипу А.
• Препарати, що інгібують стадію складання віріонів. Похідні тиосемикарбазона. Кращий з них метисазон (марборан) є інгібітором вірусу віспи.
• Препарати - інгібітори реплікації - аналоги азотистих основ, які, вбудовуючись у молекулу ДНК або РНК, блокують роботу полимераз. До них відносяться відарабін, який діє на ДНК-залежну ДНК-полімеразу вірусу герпесу. Препарат токсичний, використовується тільки при тяжких формах захворювань. Ациклавир має той самий механізм дії. Найбільш широко використовується при інфекціях, викликаних вірусом герпесу Епштейна-Барр і вірусами сімейства герпесу 6 і 7 типів.

Азидотимідин - аналог тиміну, діє на зворотну транскриптазу ретровірусів, зокрема ВІЛ. Дидезоксицитадин - аналог азидотимидин. Обидва препарати токсичні. До інгібіторів реплікації відносяться також аналоги фосфоновой кислоти, які, необоротно зв'язуючись з пирофосфатом, блокують функцію ДНК-полімерази.

Великий інтерес викликають сполуки, пов'язані з комплементарними олигонуклеотидами, які здатні пошкоджувати вірусні гени. Крім того, заслуговує уваги дослідження інгібіторів протеолітичної активації ряду вірусів, білки яких набувають функціональну активність тільки після їх протеолітичної нарізування. До таких вірусів належать пикорна-, тога-, ретровіруси. У орто - та пикорнавирусов, аденовірусів протеолитическому нарізування піддаються глікопротеїни.

Культуральні властивості грибів

Гриби зазвичай вирощують на рідких або щільних поживних середовищах Сабуро, Чапека-Докса, рідкому суслі або сусло-агарі, що мають рН нижче 7, 0. Оскільки переважна більшість грибів належить до аеробів, вони виростають у вигляді плівок на поверхні рідких середовищ або у формі колоній на агаризованих середовищах. У молодому віці колонії безбарвні, а пізніше, в період спороутворення, пігментовані.

Гриби частіше розмножуються за допомогою спеціальних зародкових клітин - суперечка. У сприятливих умовах спору, проростаючи, утворює ростковую трубочку, яка подовжується за рахунок дистального кінця і перетворюється в нитка - гіфу (філамент). Згодом у гифе можуть виникнути поперечні перегородки - септы, що розташовуються позаду верхівки зростаючої нитки. У такому разі утворюється септированная гіфа (у вищих грибів), деякі гриби не утворюють септ, і тоді грибна нитка залишається несептированной (у нисших грибів).

Взаємодія вірусу з клітиною хазяїна

Продуктивна інфекція. Репродукція вірусів

Як зазначалося вище, віруси є самореплицирующейся формою, нездатною до бінарним поділом, на відміну від мікроорганізмів з клітинної організацією. У 50-х роках було встановлено, що розмноження, або репродукція, вірусів відбувається шляхом реплікації їх нуклеїнової кислоти і біосинтезу білків з наступною самосборкой віріона. Цей процес відбувається у різних частинах клітини - ядро або цитоплазмі, внаслідок чого отримав назву дизъюнктивного, тобто роз'єднаного розмноження.

Вірусна репродукція являє собою унікальну форму вираження чужорідної (вірусної) інформації в клітках людини і тварин, комах, рослин і бактерій, яка полягає в підпорядкуванні клітинних матрично-генетичних механізмів вірусної інформації.

1-я стадія - адсорбція - характеризується прикріпленням віріона до клітинних рецепторів, що представляє собою глікопротеїни клітинної мембрани, яка містить нейраминовую кислоту. Такі рецептори є у ряду клітин, зокрема еритроцитів, на яких адсорбуються багато віруси. Для орто - і параміксовірусів специфічними рецепторами є гликолипиды, містять сиаловую кислоту (ганглиозиды), для інших - білки або ліпіди клітинної мембрани. Рецепторами вірусів є так звані прикрепительные білки, розташовані в складі капсидов простих віріонів і суперкапсидов складних віріонів. Вони можуть мати форму ниток (фібри у аденовірусів) або шипів (гликопротеиновые освіти на зовнішній оболонці орто - і парамиксо-, рабдо-, арено - і буньявирусов). Перший етап адсорбції визначається неспецифічними силами міжмолекулярного притягання, другий - специфічної структурної гомологією або комплементарностью рецепторів чутливих клітин і вірусів.

2-я стадія - проникнення вірусу в клітину хазяїна відбувається кількома шляхами.

Рецепторно-опосередкований эндоцитоз характеризується утворенням у місці взаємодії віріона з клітинним рецептором облямованих бульбашок, у формуванні яких беруть участь білки-клатрины.

Виропексис. Цим шляхом в клітку проникають сложноустроен-ві віруси. Він полягає в злитті мембран - вірусного суперкапсида з клітинної або ядерною мембраною. Даний процес відбувається за допомогою спеціального бека злиття - F-білка, який знаходиться в суперкапсиде. В результаті виропексиса капсид виявляється в клітині господаря, а суперкапсид разом з білком вбудовується в її плазматическую мембрану (внаслідок чого клітина набуває здатність зливатися з іншими клітинами, що призводить до передачі вірусу цим клітинам).

Фагоцитоз. Цим шляхом вірус проникає в фагоцитирующие клітини, що призводить до незавершеного фагоцитозу.

3-я стадія - транспорт вірусу всередині клітини. Він відбувається за допомогою внутрішньоклітинних мембранних бульбашок, в яких вірус переноситься на рибосоми, эндоплазматическую мережу або в ядро.

4-я стадія - «роздягання» віріона - полягає в їх деп-оотеинизадии і звільнення від суперкапсида і капсиду, що перешкоджають реплікації вірусної нуклеїнової кислоти. «Роздягання, віріона починається відразу ж після його прикріплення до клітинних рецепторів триває эндоцитарной вакуолі та її злиття з лизосомами при участі протеолітичних ферментів, а також у ядерних порах околоядерном просторі при злитті з ядерною мембраною.

5-я стадія називається екліпс-фазою, яка характеризується зникненням віріона, оскільки він перестає виявлятися при элданой мікроскопії. У цю стадію починається синтез компонентів віріона, тобто його репродукція. Вона має диз'юнктивний (роздільний) характер, оскільки компоненти віріона синтезуються в різних частинах клітини: білки на рибосомах, нуклеїнові кислоти в ядрі або цитоплазмі. Вірус використовує для цього генетичний апарат клітини, пригнічуючи необхідні їй самій синтетичні реакції.

Ця стадія починається з транскрипції та реплікації вірусного генома. Транскрипція вірусного генома двунитевых ДНК-вмісних вірусів відбувається, так само як і клітинного генома, за тріаді ДНК - иРНК - білок. Відмінності стосуються тільки походження ферменту ДНК-залежної РНК-полімерази, необхідної для даного процесу. У вірусів, геном яких транскрибується в цитоплазмі клітини хазяїна (наприклад, вірус віспи), є власна вирусспецифическая РНК-полімераза. Віруси, геноми яких транскрибуються в ядрі (папова - та аденовіруси, віруси герпесу), використовують міститься там клітинну РНК-полімеразу II або III.

У РНК-вмісних вірусів транскрипція їх геному здійснюється декількома шляхами:

1. Віруси з негативним геномом (мінус-стек гілок), до яких відносяться орто-, парамиксо - і рабдовирусы, мають у своєму складі вирусспецифическую РНК-полімеразу або транскриптазу. Вони синтезують иРНК на матриці геномної РНК. Подібний фермент відсутній в нормальних клітинах, але синтезується клітинами, зараженими вірусами. Він перебуває у складі як однониткових, так і двунитевых РНК-вмісних вірусів.

2. У вірусів з позитивним геномом (плюс-стек гілок), до яких відносяться пикорна-, тогавирусы та ін., функцію иРНК виконує сам геном, який транслює міститься в ньому інформацію на рибосоми клітини господаря.

Спірохети

Спірохети (spira - виток, chaite - волосся) являють собою тонкі спірально звиті нитки, вигнуті навколо центральної осі, яка, мабуть, є пучком злилися фібрил. Патогенні види відносяться до трьох родів: Treponema, Borrelia, Leptospira, що відрізняються один від одного структурним особливостями, кількістю завитків, типом руху та іншими ознаками. У структурному відношенні клітини спірохет являють собою цитоплазматичні циліндри, відмежовані цитоплазматичної мембраною (ЦМ) від тонкою й еластичною клітинної стінки (КС), яка складається з зовнішньої мембрани і пептидогликанового шару. Між ЦМ і цитоплазматичних циліндром спірохет розташовані фібрили, що складаються, так само як і джгутики бактерій, з білка флагеллина. У трепонем і боррелий є два пучки фібрил, прикріплених до дисковидным утворень - блефаропластам, розташованим на обох кінцях циліндра і спрямованих назустріч один одному. У лептоспір поодинокі фібрили прикріплені на кінцях клітини до блефаропластам. Фібрили забезпечують різні типи руху спірохет: поступальний, обертальний і згинальні.

Спірохети, особливо трепонеми, на відміну від інших бактерій погано сприймають анілінові барвники. Їх, так само як найпростіших, фарбують фарбою Романовського-Гімза. Крім того, для виявлення спірохет використовують нативні препарати, які микроскопируют в темнопольном або фазово-контрастному мікроскопі.

Treponema

Метаболізм

Як відомо, метаболізм являє собою сукупність двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів катаболізму, або енергетичного метаболізму, і анаболізму, або пластичного (конструктивного) метаболізму.

У прокаріотів, так само як у еукаріот, в процесі ферментативних катаболічних реакцій відбувається виділення енергії, яка акумулюється в молекулах АТФ. В процесі ферментативних анаболічних реакцій ця енергія витрачається на синтез численних макромолекул органічних сполук, з яких в кінцевому підсумку монтуються біополімери - складові частини мікробної клітини. Взаємозв'язок анаболізму і катаболізму виражається також у тому, що на певних етапах метаболізму утворюються однакові проміжні продукти (амфіболіти), які використовуються в обох процесах.

• Вихідні сполуки для анаболічних і катаболічних реакцій. Харчування.

Метаболізм мікроорганізмів характеризується яскраво вираженим різноманітністю. В якості поживних речовин мікробні клітини використовують різні органічні і мінеральні сполуки.

Джерела вуглецю і типи живлення. Всі мікроорганізми по своїй здатності засвоювати різноманітні джерела вуглецю діляться на дві групи - автотрофы і гетеротрофи. Автотрофы (лат. autos - сам, trophe - харчування) синтезують всі углеродсодер-жащие компоненти клітини з С0₂ як єдиного джерела вуглецю. Гетеротрофи (лат. heteros - інший, «живиться за рахунок інших») не можуть існувати тільки за рахунок асиміляції С0₂. Вони використовують різноманітні органічні матеріали вуглецеві з'єднання - гексозы (глюкоза), багатоатомні спирти, рідше вуглеводні. Багато мікроорганізми як джерело вуглецю використовують амінокислоти, органічні кислоти та інші сполуки.

Джерела енергії та донори електронів. В залежності від джерел енергії і природи донорів електронів мікроорганізми поділяють на фототрофы (фотосинтезирующие), здатні використовувати сонячну енергію, і хемотрофы (хемосинте-зирующие), що одержують енергію за рахунок окисно-відновних реакцій. До фототрофам належать виключно сапрофитные мікроорганізми. У патології людини провідну роль відіграють хемосинтезіруючи мікроорганізми.

В залежності від природи донорів електронів хемотрофы поділяються на хемолитотрофы (хемоавтотрофы) і х е-моорганотрофы (хемогетеротрофы).

Джерело азоту. Для синтезу азотовмісних сполук (амінокислот, пуринів, піримідинів, деяких вітамінів) мікроорганізми потребують доступного джерела азоту. Одні з них здатні засвоювати молекулярний азот з атмосфери (азотофіксуючі бактерії) або неорганічний азот із солей амонію, нітратів або нітритів. Інші асимілюють тільки азотовмісні органічні сполуки.

Мікроорганізми, здатні синтезувати всі необхідні їм органічні сполуки (вуглеводи, амінокислоти та ін) з глюкози і солей амонію, називаються прототрофами. На відміну від них мікроорганізми, не здатні синтезувати будь-якого із зазначених сполук, називають ауксотрофами. Вони асимілюють ці сполуки та інші чинники зростання в готовому вигляді з навколишнього середовища або організму хазяїна (людини, тварини). Ауксотрофами найчастіше є патогенні або умовно-патогенні для людини мікроорганізми.

Крім азоту і вуглецю всім мікроорганізмів для біосинтетичних реакцій необхідні сполуки, що містять фосфор, сірку, а також іони Mg, К, Са, Fe та інші мікроелементи.

• Чинники зростання

До факторів зростання відносять амінокислоти, пуринові і пі-римидиновые підстави, ліпіди, вітаміни, железопорфирины (гем) та інші сполуки. Деякі мікроорганізми самостійно синтезують необхідні їм ростові фактори, інші отримують їх у готовому вигляді з навколишнього середовища.

Потреба того чи іншого мікроорганізму в певних ростових факторів є стабільною ознакою, який використовується для диференціації та ідентифікації бактерій, а також при виготовленні живильних середовищ для лабораторних і біотехнологічних цілей.

Амінокислоти. Багато мікроорганізми, особливо бактерії, потребують тих чи інших амінокислотах (однієї або декількох), оскільки вони не можуть їх самостійно синтезувати, наприклад клостридії - в лейцине, тирозине, стрептококи - у лейцине, аргинине та ін. Такого роду мікроорганізми називаються ауксотрофны-ми за тим амінокислот або інших сполук, які вони не здатні синтезувати.

Пуринові і пиримидиновые підстави та їх похідні (аденін, гуанін, цитозин, урацил, тимін і ін) є факторами росту для різних видів стрептококів, деякі азотисті основи потрібні для росту стафілококів і інших бактерій. В нуклеотидах потребують деякі види мікоплазм.

Ліпіди, зокрема компоненти фосфоліпідів - жирні кислоти, потрібні для росту деяких стрептококів, мікоплазм. Всі види мікоплазм ауксотрофны за холестерину і іншим стерину, що відрізняє їх від інших прокаріотів. Ці сполуки входять до складу їх цитоплазматичної мембрани.

Вітаміни, головним чином групи, входять до складу коферментів або їх простетических груп. Багато бактерії ауксотрофны з певних вітамінів. Наприклад, коринебактерії дифтерії, шигели потребують нікотинової кислоти або її амиде, який входить до складу НАД і НАДФ, золотистий стафілокок, пневмокок, бруцели - тіаміні (₁), що входить до складу пірофосфату, деякі види стрептококів, бацили правця - в пантотеновій кислоті, що є складовою частиною коферменту КоА і т. д. Крім того, факторами зростання для багатьох бактерій є фолієва кислота, біотин, а також геми - компоненти цитохромів. Останні необхідні гемофильным бактерій, мікобактерій туберкульозу та ін.

• Транспорт поживних речовин

В бактеріальну клітину

Мікроорганізми асимілюють поживні речовини у вигляді невеликих молекул, тому білки, полісахариди та інші біополімери можуть служити джерелами живлення тільки після розщеплення экзоферментами до більш простих сполук.

Метаболіти і різні іони проникають у мікробну клітину трьома шляхами:

• Пасивна дифузія. Протікає без енергетичних витрат, по градієнту концентрації. Таким шляхом в клітину надходять Н₂0, Про₂ЗІ₂, N₂.
• Полегшена дифузія. Не вимагає енергетичних витрат. Протікає за участю мембранних білків-транслоказ.
• Активний транспорт. Протікає з енергетичними затратами проти градієнта концентрації: а) при участі спеціальних білків-пермеаз. При цьому кожна пермеаза переносить в клітку певне з'єднання, б) за участю мембранних білків-транслоказ і фосфорилювання переносимої молекули в процесі її проходження через мембрану. Таким шляхом переноситься глюкоза.