70. Микобактерии и микоплазмы: характеристика важнейших групп организмов, факторы их вирулентности.

Микобактерии относят к отделу Firmicutes. Семейство Mycobacteriaceaeсодержит один род – Mycobacterium. Микобактерии – это кислото- и спиртоустойчивые, аэробные, хемоорганотрофные, неподвижные, неспорообразующие, грамположительные прямые или изогнутые палочковидные бактерии. Иногда они образуют (особенно в старых культурах) нитевидные или мицелиальные структуры, которые распадаются при легком механическом воздействии на палочки либо кокки. Кислотоустойчивость микобактерий объясняется высоким содержанием в клеточных стенках особых липидов – миколовых кислот. В миколовых кислотах микобактерий имеется 78–95 атомов углерода и установлено, что только кислоты с очень длинными цепями придают клеткам кислотоустойчивость. Содержание липидов и воска в микобактериях может составлять до 60 % сухого остатка клеток. Некоторые виды микобактерий синтезируют каротиноидныенедиффундирующие в среду пигменты. Микобактерии растут на питательных средах медленно или очень медленно; видимые колонии появляются через 14–40 суток при оптимальной температуре. Колонии часто розовые, оранжевые или желтые, особенно при росте на свету; поверхность колоний обычно матовая или шероховатая. Представители некоторых видов микобактерий требовательны к составу среды, нуждаются в специальных добавках к среде (например, M. paratuberculosis) или не поддаются культивированию (M. leprae). Многие из них могут хорошо расти на средах с парафинами, ароматическими и гидроароматическими углеводородами. Каталазоположительные, арилсульфатазоположительные, устойчивые к лизоциму. Микобактерии широко распространены в природе: они встречаются в почве, воде, в организме теплокровных и холоднокровных животных. Род Mycobacteriumвключает более 40 видов. Среди микобактерий есть сапрофитные, условно-патогенные и патогенные виды. Патогенные микобактерии вызывают заболевания, получившие общее название микобактериозы. К патогенным или потенциально патогенным относятся 24 вида микобактерий, но основные патогены человека – M. tuberculosis, M. bovisи M. leprae.Патогенность туберкулезных микобактерий определяется не синтезом экзотоксинов, а связана с высоким содержанием липидов в их клетках, которые оказывают своеобразное токсическое действие на клетки ткани макроорганизма. Например, фракция воска, содержащая миколовую кислоту, вызывает реакции с образованием многочисленных гигантских клеток. Однако главным фактором вирулентности является токсический гликолипид (корд-фактор), который располагается на поверхности и в толще клеточной стенки. По химической природе он представляет собой полимер, состоящий из одной молекулы дисахарида трегалозы и связанных с ней в эквимолярных соотношениях высокомолекулярных жирных кислот (С186Н366О117). Корд-фактор не только оказывает токсическое действие на ткани, но и предохраняет туберкулезные палочки от фагоцитоза, блокируя окислительное фосфорилирование в митохондриях макрофагов и вызывая их гибель.Факторы патогенности бактерий, вызывающих проказу (M. leprae), определяются также химическим составом их клеток; продукции экзотоксинов не установлено

Микоплазмы относят к отделу Tenericutes.Порядок Mycoplasmatalesпо своим свойствам является гетерогенной группой бактерий, включающей три семейства: Mycoplasmataceae, Acholeplasmataceaeи Spiroplasmataceae.Представители микоплазм, которые обитают в организме человека, относятся к семейству Mycoplasmataceae, которое представлено двумя родами: Mycoplasma (включает около 100 видов) и Ureaplasma (включает только 2 вида).В организме человека обитают 16 видов микоплазм, которые являются условно-патогенными микроорганизмами. Они способны вызвать ряд заболеваний, но в то же время их выявляют и у здоровых людей. Например, к таким бактериям относятся: Mycoplasmapneumonia, Mycoplasmagenitalium, Mycoplasmahominis, Mycoplasmaspecies, Ureaplasmaurealticum, Mycoplasmaincognita (выделена у больных СПИДом).Mycoplasmahominisи Ureaplasmaurealyticum– возбудители воспалительных заболеваний мочеполовой системы, таких как уретриты, циститы, пиелонефриты, простатиты, вагиниты и др. Этими видами микоплазм инфицировано не менее 50 % здоровых мужчин и женщин в возрасте 30–50 лет, причем до 30 % женщин – носители одновременно обоих видов микоплазм.Mycoplasmapneumoniae– возбудитель острых респираторных заболеваний и пневмоний у человека, в том числе является возбудителем первичной атипичной пневмонии человека, служит причиной внутриутробной инфекции.

71. Архебактерии, отличия архебактерий от эубактерий; характеристика групп архебактерий.

Группу Архебактерий относят к отделу Mendosicutes.Впервые архебактерии стали известны в 1977 г. благодаря работам американских ученых К. Везе и Г. Фокса по изучению молекулярно-биохимических свойств биополимеров клеток разных видов бактерий.Отличия:

1. Их клеточная стенка не имеет пептидогликанамуреина, вместо которого в состав клеточной стенки входят кислые полисахариды, белкиили псевдомуреин, не содержащий в отличие от муреинамурамовой кислоты, а в пептидных мостиках – D-аминокислот. Вместо ацетилмурамовой кислоты в состав муреина входит ацетилталозаминуроноваякислота,что определило устойчивость архебактерий к антибиотикам, нарушающим синтез клеточных стенок у эубактерий, – пенициллину, ампициллину, D-циклосерину и т. п.

2. Мембраны архебактерий не содержат в составе липидов сложныхэфиров глицерина и жирных кислот, а представлены особыми бифитанильными глицериновыми эфирами, образованными путем конденсацииглицерина с терпеноидными спиртами.

3. В тРНКархебактерий изменена общая для всех других организмов петля тимин–псевдоуридин–цитидин, в которой вместо тимина присутствуют другие основания.

4. Наличие в генах, кодирующих тРНК, интронов, которые имеютсятолько в эукариотических геномах, но отсутствуют у большинства эубактерий.

5. Наличие в геноме архебактерий многократно повторяющихся последовательностей, что характерно для хромосомной ДНК эукариот. Вобласти нуклеоида у архебактерий содержатся белки гистоны.

6. Архебактерии имеют более сложную структуру аппаратов трансляции и транскрипции. ДНК-зависимая РНК-полимераза, осуществляющая процесс транскрипции у архебактерий, состоит из 9–12 субъединиц,уэубактерий – из 4–8 субъединиц. РНК-полимераза архебактерий, подобно таковым у эукариот, не ингибируются рифампицином, их активность стимулируется силибином.

7. Рибосомы архебактерий содержат относительно больше белков,чем рибосомы эубактерий, причем они представлены более кислымиформами по сравнению с белками рибосом эубактерий. Кроме того, процесс биосинтеза белков у архебактерий не ингибируется такими антибиотиками, как хлорамфеникол и стрептомицин.

8. Особенностью конструктивного метаболизма архебактерий является отсутствие фиксации СО2 в цикле Кальвина. Основным путем автотрофной его фиксации является восстановительный путь карбоновых кислот в различных его модификациях, присущий и некоторым эубактериям.

9. Архебактерии неспособны использовать сложные высокомолекулярные соединения. Среди них не обнаружено активных продуцентовгидролитических ферментов, что, возможно, является одной из причинотсутствия патогенных и паразитических форм.

10. Некоторые архебактерии, в частности метаногенные, синтезируютуникальный набор коферментов, не встречающийся у других организмов, например кофермент М, никельтетрапиррольный фактор F430, фактор F420 (производное 5-деазафлавина), тетрагидрометаноптерин, метанофуран и др.

11. Архебактерии занимают необычные, часто экстремальные по условиям окружающей среды высокоспециализированные экологическиениши.

12. Морфология клеток архебактерий беднее, чем эубактерий. Срединих нет мицелиальных, стебельковых и трихомных форм, преобладаютсферические и цилиндрические клетки, а также необычные плоские__клетки, имеющие вид пластинок и коробочек разнообразной геометриче-

ской формы, сходные с кусочками битого стекла, что присуще толькоархебактериям.

В настоящее время к архебактериям отнесены метаногенные, анаэробные серовосстанавливающие бактерии, экстремальные термофилы,метаболизирующие молекулярную серу, термоацидофильные микоплазмы и экстремально галофильные бактерии. Метаногенные бактерии (Мет.б.)– самая многочисленная группа архебактерий, являющаяся облигатными анаэробами. Большинство представителей неподвижны, подвижные имеют полярные жгутики. Мет.б – высокоспециализированная физиологическая группа, которая не использует углеводы, белки и другие сложные орг-иев-ва. Источниками энергии служат процессы окисления молекулярного водорода, оксида углерода, метанола, муравьиной и уксусной кислот, акцептором электронов является СО₂, которая восстанавливается до метана. В природных средах Мет.бразвиваются в ассоциации с другими м/o, выполняя функцию конечного звена в трофической цепи – превращают продукты брожения этих м/o в метан. Основные места обитания: торфяные болота, ил на дне водоемов,очистные сооружения сточных вод, пищеварительный тракт животных. Представители метаногенных бактерийвходятвродыMethanobacterium, Methanosarcina, Methanospirillumидр.

Анаэробные серовосстанавливающие бактерии представлены одним родом Archaeoglobus, который состоит из двух видов: A. fulgidus(типовой вид) и A. profundus. Это облигатные анаэробы и экстремальныетермофилы. Диапазон температуры для роста 60–95 .С с оптимумомоколо 83 .С; диапазон рН 4,5–7,5 с оптимумом около 6. Диапазон солености (NaCl) 0,9–3,6 %.

Бактерии рода Archaeoglobus– грам»-»кокковидныеклетки неправильной формы, часто треугольные, одиночные или в парах,со жгутиками (монополярныеполитрихи) или без них. При освещениисветом с длиной волны 420 нм обнаруживают голубовато-зеленую флуоресценцию. На агаризованной среде формируют зеленовато-черныегладкие колонии диаметром 1–2 мм. Способны к хемолитотрофному илихемоорганотрофному росту. Основная форма энергетическогометабо-

лизма – анаэробное дыхание (диссимиляционнаясульфатредукция). Донорами электронов являются формиат, лактат, глюкоза, крахмал, белки имолекулярный водород; конечными акцепторами электронов – сульфат,сульфит и тиосульфат (но не молекулярная сера), которые восстанавливаются до сероводорода. Особенностью бактерий рода Archaeoglobusявляется способность в небольшом количестве образовывать метан. Подобно типичным метаногенным бактериям, в клетках бактерий рода Archaeoglobusсодержится фактор F420 и тетрагидрометаноптерин, но необнаружены кофермент М и фактор F430.Основное местообитание серовосстанавливающихархебактерий –

мелководные и глубоководные морские гидротермальные источники, вкоторых они вызывают активное восстановление соединений серы. Экстремальные термофилы, метаболизирующиемолекулярнуюсеру – грамотрицательные бактерии разной морфологии: кокки, палочки,диски, нити или клетки неправильной дольчатой формы. Клеточныестенки у этих бактерий состоят из гликопротеиновых или белковыхсубъединиц. Цитоплазматические мембраны многослойные, содержат липиды, построенные на основе тетраэфиров глицерина. Молекула тетраэфира состоит из двух остатков глицерина, соединенных двумя одинаковыми парами С40-бифитанильных цепей, которые содержат от 1 до 4пятичленных циклических группировок.Экстремальные термофилы, метаболизирующие молекулярную серу,подразделяются на три порядка, четыре семейства и включают девятьродов. Все представители объединены в одну группу благодаря тому, чтоих энергетический метаболизм связан с метаболизмом молекулярной серы. Облигатно аэробные бактерии (например, бактерии рода Sulfolobus)осуществляют окисление S0; строгие анаэробы (например, бактерии родов ThermococcalesиThermoproteales) – только восстановление S0 доH2S; факультативные анаэробы (например, бактерии рода Acidianus) – взависимости от условий могут окислять или восстанавливать S0. Второй признак, объединяющий всех представителей группы, – экстремальная термофилия: нижний температурный предел роста – 60–82 .С, верхняя граница – 95–110 .С. Оптимальная температура для роста80–105 .С. Наиболее высокотемпературными представителями серозависимыхархебактерий являются бактерии вида Pyrodictiumoccultum.Ониспособны расти при 110 .С, с оптимумом при 105С.Экстремально термофильные архебактерии, метаболизирующие молекулярную серу, являются аборигенами высокотермальных кислых источников и грунтов в зонах вулканического происхождения. Кроме того,бактерии рода Pyrodictiumвыделяют из подводных морских горячих ис-

точников, богатых серой и сульфидами, где они проявляют активнуюгеохимическую деятельность.

В практическом плане привлекают внимание бактерии вида Sulfolobusbrierley, способные выщелачивать металлы при высоких температурах из трудноокисляемых сульфидов, таких как пирит (FeS2), халькопирит (CuFeS2) и молибденит (MoS2). Эти бактерии можно использоватьтакже для удаления серных компонентов из некондиционного каменногоугля. Отрицательным моментом в деятельности этих архебактерий является их способность вызывать биокоррозию стали.

Термоацидофильные микоплазмы представлены единственным видом Thermoplasmaacidophilum. В отличие от других архебактерий, этибактерии не имеют клеточной стенки. Клетки окружены трехслойноймембраной, толщиной около 7 нм, могут быть подвижными и обладатьжгутиками.

Термоплазмы – гетеротрофы со сложными пищевыми потребностями. Хемоорганотрофы, факультативные анаэробы. Энергию получаюткак за счет аэробного дыхания, так и за счет брожения. Облигатные термофилы и облигатные ацидофилы. Температурный оптимум культивирования соответствует 60 .С, а оптимум рН лежит в пределах 1,0–2,0. При нейтральном рН происходит лизис клеток. Естественным местообитанием их служат саморазогревающиеся отходы каменного угля и кислые термальные источники.

72. Общие сведения о биогеохимической деятельности микроорганизмов: малый биологический круговорот и большой геологический круговорот, участие микроорганизмов в биологическом круговороте углерода, азота, серы, фосфора.

Микроор-ам принадлежит важная роль в круговороте в-в вприроде, образовании и разрушении месторождений полезных ископаемых, минералов и горных пород.

-●Органические вещества растений и животных под действием микроорганизмов разлагаются на простые минеральные элементы, которые растворяются в воде и используются растениями в качестве источника питания, вовлекаясь таким образом в малый биологический круговорот.

●Помимо биологического круговорота элементов, в природе функционирует и большой геологический круговорот. Он осуществляется под действием физико-химических факторов и включает процессы выветривания горных пород, растворения минеральных продуктов выветривания и вынос их в моря и океаны.Преобладающая часть вынесенных минеральных элементов используется водными организмами и после их отмирания частично переходит в состав осадочных пород, выключаясь темсамым из биологического круговорота. Если бы этот процесс проходил

п остоянно, то жизнь на земной поверхности не могла бы развиваться.Однако этого не происходит, так как биологически важные элементы непрерывно закрепляются в почве благодаря деятельности зеленых растений и автотрофных микроорганизмов. После отмирания организмы растений и животных минерализуются микроорганизмами и в зависимости от условий включаются в биологический или геологический круговорот.

Участие микроорганизмов в биологическом круговороте углерода

Рис. 1 -Схема круговорота углерода: ФС- фотосинтез; ХС – хемосинтез; Д – дыхание; М – минерализация; С - сжигание

Круговорот углерода начинается с фиксации СО2 зелеными растениями и автотрофными м/о. .Образовавшиеся в процессе фото- и хемосинтеза углеводы или другиеуглеродсодержащие органические соединения частично используютсяэтими же организмами для получения энергии, при этом СО2 (продуктреакций окисления) выделяется в среду. Часть фиксированного растениями углерода потребляется человеком и животными, которые выделяют его в форме СО2 в процессе дыхания. Углерод, образующийся в результате разложения отмерших растений и животных, окисляется до СО2и тоже возвращается в атмосферу.

В аэробных условиях очевидна связь между процессами образования органического углерода, выделения О₂ и потребления СО₂, что следует из уравнения:

Участие микроорганизмов в круговороте азота в природе.

Рис. 2 - Схема круговорота азота: 1 – деятельность человека; 2 – природная активность; АМ – аммонификация; АС – ассимиляция растениями и микроорганизмами; АЗ – азотфиксация; Д – денитрификация; Н – нитрификация

Круговорот азота состоит из четырех этапов (рис. 2):

Первый этап – фиксация молекулярного азотааэробными и анаэробными азотфиксирующими микроорганизмами, которые могут быть свободноживущими и симбиотическими.Второй этап круговорота азота, получивший название аммонификации, приводит к высвобождению аммиака, но уже в результате процессов минерализации органического вещества.Активными возбудителями аммонификации являются бактерии рода Pseudomonas, Bacillus, Proteusи др. На третьем этапе круговорота азота происходит нитрификация: образовавшийся при аммонификации аммиак окисляется до нитритов и нитратов. Типичные нитрификаторы относятся к хемолитоавтотрофам. Процесс нитрификации является двухфазным, причем каждая фаза осуществляется различными видами бактерий.Кроме типичных нитрификаторов, многие гетеротрофные бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Arthrobacter, Xanthomonasспособны окислять аммиак и другие восстановленные соединения азота до нитритов и нитратов.Четвертый этап – денитрификация.

У частие микроорганизмов в биологическом круговороте серы в природе

Рис. 3 - Схема круговорота серы

Микроорганизмы осуществляют три важнейших этапа в превращении серы:

1) минерализацию органической серы; 2) окисление; 3) восстановление минеральной серы.Эти этапы определяют три основные формы природной серы: органическую серу (белки, аминокислоты); сульфаты и сульфиты; сероводород и сульфиды. В процессе минерализации органической серы участвуют многочисленные неспециализированные гетеротрофные микроорганизмы (аэробные и анаэробные бактерии, грибы и некоторые актиномицеты). В настоящее время установлено, что в процессе минерализации серосодежащих соединений образуется не только сероводород, но и другие соединения: меркаптаны, минеральная сера и сульфаты.Окисление минеральной серы, получившее название сульфофикации, включает процессы окисления сероводорода, элементарной серы,тио- и тетрасоединений до серной кислоты. Эти процессы вызываютсяособыми группами бактерий – бесцветными серобактериями, зелеными ипурпурными серными бактериями, тионовыми бактериями и некоторымижелезобактериями, широко распространенными как в почвах, так и в водоемах. В анаэробных условиях H2S могут окислять и денитрифицирующие бактерии.Восстановление сульфатов как наиболее распространенной в биосфере формы серы до сероводорода осуществляется облигатными сульфатредуцирующими анаэробами в процессе диссимиляционнойсульфатредукции (сульфатное дыхание). В качестве конечного акцептора электронов они используют сульфаты, донором электронов могут служить различные органические соединения и молекулярный водород.

Участие микроорганизмов в биологическом круговороте фосфора в природе

Микроорганизмы осуществляют следующие преобразования соединений фосфора: 1)перевод в растворимую форму фосфатных минералов; 2) включение неорганического фосфата в органические соединения клеток; 3) минерализацию органических соединений фосфора.Минерализацию фосфорсодержащих органических веществ осуществляют почти все гетеротрофные м/о, синтезирующие различные ферменты, такие как нуклеазы, фосфолипазы, фитазы и др.Круговорот фосфора в основном является однонаправленным, так какрастворимые фосфаты постоянно переносятся из почвенной среды в моря и океаны и вследствие выщелачивания осаждаются в них. Единственный источник поступления (возвращения) фосфатов на сушу – процессывыветривания. Кроме того, отличительной особенностью круговоротафосфора от других биогенных элементов является отсутствие его в видегазообразных соединений.