Geum.ru

Инновационный евразийский университет

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3

физические;
  • химические;
  • биологические.

    Температура

    Жизнь организмов определяется температурой больше, чем каким-либо фактором внешней среды, в связи с тем, что все организмы построены из химических компонентов и все процессы жизни происходят на основе химических реакций, подчиненных законам термодинамики. Температура действует не только на скорость химических реакций, но также является причиной структурной перестройки протеинов, фазовых перемещений жиров, изменения структуры воды. Температурная амплитуда биохимической активности относительно мала в связи со специфическими свойствами биомолекул.

    Витальная температурная зона, в пределах которой осуществляется активная жизнедеятельность микроорганизмов, за некоторым исключением, укладывается в рамки от 0o до 50-60o С. Нижняя граница активной жизнедеятельности микроорганизмов лимитируется, прежде всего, капельно-жидкой водой, постоянным потоком которой в клетке поддерживается трехмерность белковых молекул и других структурных носителей жизни и протекающие процессы ассимиляции и диссимиляции. Поэтому кристаллизация воды в омывающих жидкостях и клетках служит критическим порогом их жизни. Однако, если верхний порог витальной зоны, который определяется тепловой коагуляцией белков, довольно узок, то нижняя граница зоны жизнедеятельности более широка и «размыта», вследствие многих прямых и косвенных адаптаций к сохранению части воды в жидком состоянии, выработавшихся у организмов в процессе эволюции.

    По отношению к температурным условиям микроорганизмы разделяют на мезофильные, психрофильные и термофильные. Деление бактерий на указанные группы довольно условно, так как температурные диапазоны их роста значительно перекрываются.

    Большинство известных видов относится к мезофилам, у которых оптимальные температуры роста лежат между 3o С и 40o С, а температурный диапазон, в котором возможен рост находится между 10 и 45-50o.С.

    Группу термофилов делят на 4 подгруппы:

    1. Термотолерантные виды растут в пределах от 10 до 55 – 60o, оптимальная область лежит при 35 - 40o.

    2. Факультативные термофилы имеют максимальную температуру роста между 50 и 65o, но способны также к размножению при комнатной температуре (20o). К облигатным термофилам относят виды, обнаруживающие способность расти при температурах около 70o и не растущие ниже 40o.

    3. Обнаружены прокариоты, выделенные в подгруппу экстремальных термофилов. Для них характерны следующие температурные параметры: оптимум в области 80 –105o, минимальная граница роста 60o и выше, максимальная – до 110o. К экстримальным термофилам относятся организмы из группы архебактерий, не имеющие аналогов среди мезофилов, например представители родов Thermoproteus, Pyrococcus, Pyrodictium и др.

    Организмы, способные образовывать тепло внутри своего тела с помощью различных физиологических и биохимических механизмов, называют эндотермными (эндотермы), а организмы, температура тела которых полностью зависит от температуры окружающей среды, т.е. определяется внешними источниками тепла – эктотермными (эктотермы).Поддержание постоянства метаболизма у эктотермных организмов при смене температуры обитания названо температурной компенсацией.

    Влажность

    Важнейшим фактором поддержания жизни в микробной клетке является вода, в растворах которой протекают все процессы, составляющие жизнь. При высушивании микроорганизмов часть клеток погибает. Клетки же, перенесшие высушивание, переходят в состояние анабиоза. Возможность сохранения бактериями жизнеспособности при высушивании определяется множеством факторов, в том числе зависит от температуры, рН, солевого состава среды и т.п. Обычно формы с мелкими клетками устойчивее, чем крупноклеточные формы; кокки устойчивее палочек. Клетки с толстой клеточной стенкой, в том числе большинство грамположительных бактерий, устойчивее к высушиванию, чем грамотрицательные бактерии и тем более микоплазмы. Особенно высокой устойчивостью к высушиванию характеризуются микобактерии, клетки которых окружены массивными клеточными стенками, содержащими большое количество липидов. Бактериальные цисты и споры устойчивее к высушиванию, чем вегетативные клетки.

    При изготовлении биологических препаратов и сохранения чистых культур микроорганизмов пользуются методом лиофилизации (быстрое замораживание с последующим высушиванием под низким давлением).

    Действие излучения

    Солнечный свет может вызывать сильный антимикробный эффект. Так, более 99,9% клеток штамма Escherichia coli с нарушенными репарационными механизмами погибают после облучения солнечным светом в течение трех минут. При этом более 80% летальных повреждений связаны с действием света длиной волны менее 312 нм. Действие видимого света ответственно менее чем за 1% летальных повреждений. Видимый свет длиной волны 450 нм индуцирует замены пар оснований и мутации сдвига рамки у E. coli. Световые волны длиной 550 нм и особенно 410 нм вызывают фотолизис клеток Myxococcus xanthus.

    Ультрафиолетовые лучи и ионизирующее излучение. Ближний ультрафиолет (УФ) – излучение с длинной волн 400 – 320 нм – даже в невысоких дозах оказывает на бактерий определенное действие.

    Резистентность организма к солнечной радиации, как правило, соответствует его устойчивости к неионизирующему излучению от искусственных источников. ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240 – 300 нм, т.е. в области среднего и дальнего УФ, с пиком поглощения в области 254 нм. Этим объясняется высокая мутагенная и летальная эффективность облучения средним и дальним УФ.

    УФЛ широко применяются в производственной деятельности человека для обеззараживания воздуха помещений (родильные дома, операционные, животноводческие помещения, промышленные цеха производства антибиотиков, лабораторные боксы), воды, отходов производств. Ионизирующее излучение составляет определенный компонент естественной радиации, определяемый нестабильными изотопами, постоянно находящимися в почве, атмосферных осадках. В областях залегания радиоактивных минералов естественный фон радиации повышен. Изотопы могут попадать в живые организмы и тогда они подвергаются внутреннему облучению.

    Ионизирующее излучение используется для стерилизации биопрепаратов, перевязочного материала, инструментов. Действие лазера вызывает у микроорганизмов в зависимости от дозы облучения изменения морфологических и биохимических свойств, вплоть до утраты жизнеспособности. Гибнут бактерии при воздействии лазера длинной волны около 700 нм с энергией 200 Дж. При этом происходит денатурация белка и повреждение нуклеиновых кислот.

    Ультразвук

    Поскольку бактерии обладают относительно малой массой и жесткой оболочкой, низкочастотные колебания (зона звуковых колебаний 100 – 10000 Гц) действует на них в очень слабой степени. Если же бактерии погрузить в жидкость, в которой распространяются высокочастотные колебания (т.е. ультразвук), то бактерии разрушаются и погибают. Ультразвуковые колебания обычно создают в жидкостях при помощи вибрирующих никелевых или кварцевых дисков. В результате ультразвукового воздействия наблюдаются биохимические и функциональные изменения, не приводящие к гибели организма. Так, под воздействием УЗ могут высвобождаться в клетке биологически активные вещества (витамины, ферменты и пр.), а также появляться нехарактерные микроорганизму ферменты

    Ультразвук используют для получения отдельных клеточных компонентов, для изучения их структуры и функций, для стерилизации субстратов, повреждающихся при тепловой обработке.

    Концентрация ионов водорода

    Кислотность среды является важным фактором, определяющим существование в ней прокариот.

    Для подавляющего большинства прокариот оптимальной является среда, близкая к нейтральной. Такие организмы называют нейтрофилами. однако рост многих нейтрофилов возможен в средах, значение рН которых лежит в диапазоне от 4 до 9. Типичными нейтрофилами являются штаммы Streptococcus faecalis и многие патогенные бактерии. Многие нейтрофилы способны расти или выживать при значениях рН, лежащих за пределами указанного диапазона. Такие прокариоты считаются кислото- или щелочеустойчивыми – толерантными. К кислотоустойчивым относятся многие грибы, микобактерии. Щелочетолерантны, т.е. устойчивы к значениям рН близким к 9-10, многие из энтеробактерий. У некоторых видов бактерий адаптация к определенным значениям рН среды привела к тому, что оптимум рН для роста переместился в кислую (рН 4 и ниже) или щелочную (рН от 9 и выше) области. Такие прокариоты названы ацидо- или алкалофильными (кислото- или щелочелюбивыми) соответственно.


    4. Понятие об инфекционном процессе


    Паразитом называется организм, поселившийся в другом животном организме (или на нем) и питающийся его веществами. Их взаимодействие может причинять хозяину вред или достигает баланса, обеспечивающего выживание, рост и размножение обоих организмов. Во многих случаях это взаимодействие не ведет к развитию болезни, а проявляется в виде латентной или субклинической инфекции. Результат взаимоотношений зависит от способности паразита проникать, поселяться в организме хозяина и вызывать его повреждение, а также от защитных механизмов хозяина. Если воздействие паразита на хозяина достигает значительной степени, то это ведет к возникновению болезни и паразит выступает в роли возбудителя инфекции.

    Инфекция (infectio - заражение) - это исторически сложившийся процесс взаимодействия возбудителя с организмом в конкретных условиях внешней среды. Возникновение и развитие инфекции зависит от свойств возбудителя - инвазивности, патогенности, токсигенности, и макроорганизма - наследственности, возраста, типа обмена веществ, естественной и искусственной резистентности. Наиболее яркая форма проявления этого процесса - инфекционная болезнь, которая обусловлена патологическими процессами, вызванными действием возбудителя, и характеризуется определенной клинической картиной.

    Основные этапы возникновения инфекции в организме животных: проникновение возбудителя в организм; закрепление и размножение его в организме. Входными воротами инфекции чаще всего являются дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, поврежденные или нетравмированные участки слизистых оболочек и кожи. К числу компонентов, определяющих способность микроорганизма прикрепляться к поверхности клеток, относятся липотейховые кислоты стрептококков группы А, поверхостные белковые и полисахаридные вещества.

    Иногда микроорганизмы пассивно вносятся в организм хозяина членистоногими и проникают непосредственно в лимфатические или кровеносные сосуды. На эпителии дыхательных путей, кишечного тракта и влагалища имеется значительное количество микроорганизмов, которые в совокупности называют нормальной микрофлорой. Каждый из видов эпителия имеет свою собственную типичную микрофлору. Нормальная микрофлора представляет собой прочный барьер для посторонних болезнетворных микроорганизмов, так как конкурирует с ними за питательные вещества и образует продукты, подавляющие рост болезнетворных бактерий, например, органические кислоты. Сами слизистые оболочки также секретируют антибактериальные вещества, в том числе жирные кислоты, лизоцим, иммуноглобулины.

    Чтобы закрепиться на слизистой оболочке, болезнетворный микроорганизм должен преодолевать все защитные барьеры. Опыты с безмикробными животными подтвердили защитную роль нормальной микрофлоры: она служит предупреждению инфекции.

    Механизм проникновения болезнетворного микроорганизма внутрь клеток, основан на диффузии внеклеточного микробиального вещества, разрушающего поверхностные структуры и стимулирующего активность некоторых клеток, подобную фагоцитозу.

    Некоторые микроорганизмы проникают внутрь эпителиальной клетки слизистых оболочек через участки цитоплазматической мембраны, вызывая гибель клеток и образование дефектов в слизистых.

    Проникающий возбудитель может элиминироваться защитными силами организма или закрепиться и размножиться в нем. Это зависит от ряда факторов, в том числе от способности возбудителя подавлять защитные механизмы организма. Патогенные факторы возбудителя и биохимические особенности тканей, где он локализуется, во многом предопределяют исход взаимодействия.

    Инфекционный процесс - это комплекс взаимных приспособительных реакций в ответ на внедрение и размножение патогенного микроорганизма в макроорганизме, направленных на восстановление нарушенного гомеостаза и биологического равновесия с окружающей средой. В инфекционном процессе имеются три участника: микроорганизм, макроорганизм, окружающая среда. Инфекционный процесс имеет широкий диапазон проявлений - от бессимптомного носительства до тяжелых форм инфекционной болезни. У человека вызвать инфекционный процесс способна лишь 1/30000 часть представителей микробного мира.

    Способность микроорганизмов (вирусов, хламидий, микоплазм, риккетсий, бактерий, грибов) вызывать инфекционный процесс обусловлена двумя основными характеристиками: патогенностью и вирулентностью.

    Патогенность - видовое свойство микроорганизма, которое характеризует его способность проникать в организм человека или животного, использовать его как среду своей жизнедеятельности и размножения и вызывать патологические изменения в органах и тканях с нарушением их физиологических функций.

    Вирулентность - это свойство конкретного штамма патогенного микроорганизма, характеризующее степень (меру) его патогенности. По степени патогенности микроорганизмы разделяют на 3 группы: сапрофиты, условно-патогенные и патогенные. Однако подобное деление относительно, так как не учитывает особенностей макроорганизма и условий окружающей среды. Например, некоторые сапрофиты: легионеллы, сарцины, лактобактерии - при определенных условиях (иммунодефицит, нарушение барьерных защитных механизмов) могут вызывать инфекцию. В то же время даже высокопатогенные микроорганизмы (возбудитель чумы, брюшного тифа и др.), попадая в иммунный организм, не вызывают инфекционного процесса.

    Большая группа микроорганизмов относится к условно-патогенным. Как правило, это микроорганизмы, обитающие па наружных покровах (кожа, слизистые оболочки) и способные вызывать инфекционный процесс лишь при снижении резистентности макроорганизма. К патогенным относятся микроорганизмы, которые, как правило, вызывают инфекционный процесс. Есть микроорганизмы, патогенные только для человека (менингококк), для человека и животных (сальмонеллы, хламидии и др.) и только для животных.

    Патогенность обусловлена определенными свойствами микроорганизма, в частности инвазивностью, т.е. способностью преодолевать защитные барьеры: кожу, слизистые оболочки - в результате активного продвижения (например, с помощью жгутиков), наличия ферментов, повреждающих клеточные мембраны (гиалуронидаза, нейраминидаза, фибринолизин, коллагеназа). Существенное значение имеет способность к адгезии, фиксации на поверхности клеточных мембран. К факторам патогенности следует отнести капсулу, которая препятствует фагоцитозу. Важным фактором патогенности является способность многих микроорганизмов (например, бактерий, вирусов, риккетсий) к внутриклеточному паразитированию. Находясь внутри клетки, микроорганизмы подавляют литические ферменты, размножаются. Они не подвергаются действию специфических и неспецифических факторов защиты - антител, лизоцима, комплемента и др. В то же время клетки, фагоцитирующие микроорганизмы (макро- и микрофаги). способны мигрировать и тем самым могут быть фактором распространения патогенных микроорганизмов.

    Патогенные свойства микроорганизмов наряду с указанными ферментами в значительной степени обусловлены различными токсическими субстанциями, образуемыми микроорганизмами, прежде всего экзо- и эндотоксинами. Экзотоксины образуются и выделяются микроорганизмами в процессе жизнедеятельности, обычно имеют белковую природу и оказывают специфическое действие. Эта специфичность в значительной степени определяет патофизиологию и патоморфологию инфекционного процесса, а при развитии инфекционной болезни - ее клиническую картину. Способностью к образованию экзотоксинов обладают возбудители ботулизма, столбняка, дифтерии, холерный вибрион, некоторые шигеллы и др. Выделение эндотоксинов, которые представляют собой липополисахариды клеточной мембраны, свойственно грамотрицательным микроорганизмам (сальмонеллы, шигеллы, менингококк и др.). Они освобождаются при разрушении микробной клетки, оказывают токсическое действие, взаимодействуя со специфическими рецепторами мембраны клеток макроорганизма, и разностороннее и малоспецифическое воздействие на макроорганизм. Вирусы, реккетсии, хламидии, микоплазмы содержат, кроме того, токсины, отличающиеся по составу от экзо- и эндотоксинов.

    Вирулентные свойства микроорганизмов варьируют в широких пределах. Многие микроорганизмы при определенных условиях способны резко снижать свою вирулентность и вызывать легко протекающий инфекционный процесс и формирование иммунитета. Это свойство микроорганизмов широко используется для создания живых вакцин. С другой стороны, методами селекции можно получать высоковирулентные штаммы микроорганизмов.

    Существенное значение для формирования инфекционного процесса и степени выраженности клинических проявлений имеют инфицирующая доза, а также путь проникновения возбудителя в макроорганизм.

    К защитным механизмам относятся: наружные барьеры (кожа, слизистые оболочки глаз, дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта и половых органов), внутренние (гистиогемоцитарные) барьеры, клеточные и гуморальные (неспецифические и специфические) механизмы.

    Кожа является непреодолимым механическим барьером для большинства микроорганизмов; кроме того, секрет потовых желез содержит лизоцим, бактерицидный в отношении ряда микроорганизмов. Слизистые оболочки также являются механическим барьером на пути распространения микроорганизмов, их секрет содержит секреторные иммуноглобулины, лизоцим, фагоцитирующие клетки. Бактерицидным свойством обладает слизистая оболочка желудка, выделяющая соляную кислоты. Поэтому кишечные инфекции чаще наблюдаются у людей с пониженной кислотностью желудочного сока или при попадании возбудителей в межсекреторный период, когда содержание соляной кислоты минимальное. Нормальная микрофлора кожи и слизистых оболочек также оказывает выраженное антагонистическое действие в отношении многих патогенных микроорганизмов. Из гистогематических барьеров наиболее сильным защитным свойством обладает гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), поэтому в вещество мозга микроорганизмы проникают относительно редко.


    5. Генетика микроорганизмов


    Рекомбинация генетического материала у прокариот.

    Наследственную изменчивость у прокариотичских микроорганизмов вызывают рекомбинации генетического материала трех основных типов: конъюгация, трансформация и трансдукция.

    Конъюгация предполагает непосредственный контакт клетки-донора и клетки-реципиента. Клетка-донор должна обладать так называемой половой плазмидой (F-фактором), который может быть автономен или интегрирован в хромосому. F-фактор обусловливает способность донорной клетки вступать в контакт с реципиентом, формировать половые F-пили и передавать генетический материал.

    При интеграции F-фактора в хромосому такая передача осуществляется с высокой частотой (штаммы Hfr). Перенос генетического материала строго ориентирован: разрыв копии хромосомы и передача ДНК происходят в локусе 0 в пределах полового фактора. Скорость переноса в одинаковых условиях для определенного штамма постоянна. Обычно всей хромосоме не удается перейти в клетку-реципиент, так как контакт клеток очень нестабилен и часто прерывается до завершения перехода. Поскольку первым реципиенту передается всегда один и тот же специфичный для каждого штамма участок хромосомы, то частота передачи стоящих следом за ним генов позволяет расположить их по отношению к этому локусу и составить генетическую карту хромосомы.

    Трансформацией называется процесс изменения свойств одних бактерий под влиянием экзогенной растворенной ДНК, выделенной из других бактерий. Для трансформации не нужна клетка-донор, а проникновение фрагментов ДНК зависит от физиологического состояния клетки-реципиента {компетентности). Только двуцепочечные фрагменты ДНК значительной молекулярной массы могут быть трансформирующими агентами. В геном сможет включиться ДНК с определенной степенью гомологии с ДНК реципиента.

    Из одной бактериальной клетки в другую гены могут переноситься и в процессе трансдукции. При этом функцию векторов выполняют фаги, случайно захватывающие фрагмент бактериальной хромосомы в процессе формирования зрелых фаговых частиц. При заражении клетки-реципиента таким фагом в нее может включиться фрагмент ДНК другой клетки путем обмена по гомологичным участкам. Перенос генетического материала из клетки в клетку осуществляется также путем передачи векторных плазмид.

    Явление диссоциации у прокариот.

    Механизм этого явления еще не раскрыт полностью и на протяжении многих лет остается дискуссионным, однако в практике научных исследований с ним сталкивается практически каждый, кто работает с микроорганизмами. Явление диссоциации наблюдают, когда при рассеве чистой культуры на твердой среде развиваются колонии разной морфологии. На самом деле микробная популяция гетерогенна не только морфологически, но и затрагивает физиолого-биохимические и генетические признаки. Этот процесс имеет постоянный характер и более высокую частоту, чем спонтанные мутации. Наиболее часто образуются три морфотипа колоний: R - шероховатые, S - гладкие и М - слизистые. Первоначально это явление было отмечено у патогенных микроорганизмов - Salmonella, Shigella, Е. coli, и в связи с разными фазами протекания болезни было названо «вариацией фаз» (S - вирулентный вариант, преобладает в эпидемической фазе, R - в постэпидемической). Диссоциация безусловно связана с изменениями в геноме. Колонии разных морфотипов, отличающиеся по диаметру, содержат одинаковое количество по-разному упакованных клеток. В природных местообитаниях обычно наблюдается преобладание какого-то из диссоциантов, по при этом присутствуют все три из них.