|
АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология
|
Критерии систематики
Микроорганизмы - это организмы, невидимые невооруженным глазом из-за их незначительных размеров. Этот критерий - единственный, который их объединяет. В остальном мир микроорганизмов еще более разнообразен, чем мир макроорганизмов.
Согласно современной систематике, микроорганизмы относятся к трем царствам:
- Vira - к ним относятся вирусы;
- Eucariotae - к ним относятся простейшие и грибы;
- Procariotae - к ним относятся истинные бактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы, спирохеты, актиномицеты.
Основные отличия прокариот от эукариот состоят в том, что прокариоты не имеют:
- морфологически оформленного ядра (нет ядерной мембраны и отсутствует ядрышко), его эквивалентом является нуклеоид, или генофор, представляющий собой замкнутую кольцевую двунитевую молекулу ДНК, прикрепленную в одной точке к цитоплазматической мембране; по аналогии с эукариотами эту молекулу называют хромосомной бактерией;
- сетчатого аппарата Гольджи;
- эндоплазматической сети;
- митохондрий.
Имеется также ряд признаков или органелл, характерных для многих, но не для всех прокариот, которые позволяют отличать их от эукариотов:
- многочисленные инвагинации цитоплазматической мембраны, которые называются мезосомы, они связаны с нуклеоидом и участвуют в делении клетки, спорообразовании, и дыхании бактериальной клетки;
- специфический компонент клеточной стенки - муреин, по химической структуре - это пептидогликан (диаминопиеминовая кислота);
- плазмиды - автономно реплицирующиеся кольцевидные молекулы двунитевой ДНК с меньшей, чем хромосома бактерий молекулярной массой. Они находятся наряду с нуклеоидом в цитоплазме, хотя могут быть и интегрированы в него, и несут наследственную информацию, не являющуюся жизненно необходимой для микробной клетки, но обеспечивающую ей те или иные селективные преимущества в окружающей среде. Наиболее известны плазмиды:
- (F-плазмиды), обеспечивающие конъюгационный перенос между бактериями;
- (R-плазмиды) - плазмиды лекарственной устойчивости, обеспечивающие циркуляцию среди бактерий генов, детерминирующих устойчивость к используемым для лечения различных заболеваний химиотерапевтическим средствам.
Также как для растений и животных, для названия микроорганизмов применяется бинарная номенклатура, - то есть родовое и видовое название, но если видовую принадлежность исследователям определить не удается и определена только принадлежность к роду, то употребляется термин "species". Чаще всего это имеет место при идентификации микроорганизмов имеющих нетрадиционные пищевые потребности или условия существования.
Название рода обычно или основано на морфологическом признаке соответствующего микроорганизма (например, Staphylococcus, Vibrio, Mycobacterium) либо являются производными от фамилии автора, который открыл или изучил данный возбудитель (например, Neisseria, Shigella, Escherichia, Rickettsia, Gardnerella).
Видовое название часто связано с наименованием основного вызываемого этим микроорганизмом заболевания (например, Vibrio cholerae - холеры, Shigella dysenteriae - дизентерии, Mycobacterium tuberculosis - туберкулеза) или с основным местом обитания (например, Escherihia coli - кишечная палочка).
Кроме того, в русскоязычной медицинской литературе возможно использование соответствующего русифицированного названия бактерий (например, вместо Staphylococcus epidermidis - эпидермальный стафилококк; Staphylococcus aureus - золотистый стафилококк и т. д.).
Царство прокариот включает в себя отдел цианобактерий и отдел эубактерий, который, в свою очередь, подразделяется на порядки:
- собственно бактерии (отделы Gracilicutes, Firmicutes, Tenericutes, Mendosicutes);
- актиномицетов;
- спирохет;
- риккетсий;
- хламидий.
Бактерии - это прокариотические, преимущественно одноклеточные микроорганизмы, которые могут также образовывать ассоциации (группы) сходных клеток, характеризующиеся клеточными, но не организменными сходствами.
Порядки подразделяются на группы. Основными таксономическими критериями, позволяющими отнести штаммы бактерий к той или иной группе, являются:
- морфология микробных клеток (кокки, палочки, извитые);
- отношение к окраске по Граму - тинкториальные свойства (грамположительные и грамотрицательные);
- тип биологического окисления - аэробы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы;
- способность к спорообразованию.
Дальнейшая дифференциация групп на семейства, рода и виды, которые являются основной таксономической категорией, проводится на основании изучения биохимических свойств. Этот принцип положен в основу классификации бактерий, приведенной в специальных руководствах - определителях бактерий.
Вид является эволюционно сложившейся совокупностью особей, имеющих единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими признаками. Для патогенных бактерий определение "вид" дополняется способностью вызывать определенные нозологические формы заболеваний.
Существует внутривидовая дифференцировка бактерий на варианты:
- по биологическим свойствам (биовары или биотипы);
- по биохимической активности (ферментовары);
- по антигенному строению (серовары или серотипы);
- по чувствительности к бактериофагам (фаговары или фаготипы);
- по устойчивости к антибиотикам (резистентовары).
В микробиологии широко применяют специальные термины - культура, штамм, клон.
Культура - это видимая глазом совокупность бактерий на питательных средах. Культуры могут быть чистыми (совокупность бактерий одного вида) и смешанными (совокупность бактерий двух или более видов).
Штамм - это совокупность бактерий одного вида, выделенных из разных источников или из одного источника в разное время. Штаммы могут различаться по некоторым признакам, не выходящим за пределы характеристики вида.
Клон - это совокупность бактерий, являющихся потомством одной клетки.
4. Генетические критерии систематики
Наиболее объективными и дающими представление о филогенетиче-
ских связях между микроорганизмами являются генетические (молеку-
лярно-биологические) критерии. К ним относятся определение относи-
тельного содержания ГЦ-пар в ДНК, гибридизация нуклеиновых кислот,
определение нуклеотидных последовательностей в молекулах ДНК или
РНК, применение генетических зондов (ДНК-зондов), рестрикционный
анализ ДНК, методы генетического анализа (изучение переноса генов,
генетических скрещиваний, картирование хромосом бактерий и др.).
Относительное содержание ГЦ-пар в ДНК представляет собой
стабильный признак бактерий, не зависящий ни от возраста, ни от усло-
вий культивирования, ни от отдельных перестроек генов в хромосоме
(т. е. данное свойство практически не изменяется под влиянием боль-
шинства мутаций).
Молекулы ДНК разных микроорганизмов отличаются друг от друга
относительным содержанием пуриновых и пиримидиновых оснований,
которые формируют комплементарные пары в антипараллельных цепях
ДНК. Близкородственные микроорганизмы имеют идентичное или сход-
ное содержание ГЦ-пар в ДНК, а далеко отстоящие в генетическом от-
ношении сильно отличаются по относительному содержанию этих азо-
тистых оснований. Молярное содержание ГЦ-оснований у широкого
круга прокариот колеблется в широких пределах: от 25 до 80 мол. %. В
то же время, например у разных видов бактерий рода Pseudomonas, со-
держание ГЦ-пар в ДНК имеет близкие величины – от 61,8 до 69,5 мол.
% от общего количества оснований. Следовательно, каждый вид бакте-
рий имеет ДНК с характерным средним содержанием ГЦ-пар, и эту ве-
личину можно рассматривать как один из важных признаков вида.
Нуклеотидный состав ДНК бактерий можно определить химически-
ми и физическими методами.
К химическим относится метод хроматографии на бумаге. Определе-
ние состава ДНК этим методом включает следующие основные этапы:
выделение ДНК, ее гидролиз до азотистых оснований, разделение их с
помощью хроматографии на бумаге, элюирование оснований с бумаги и
последующая ультрафиолетовая спектрофотометрия. Хотя этот метод
довольно длителен и трудоемок, он позволяет определить непосредст-
венное соотношение азотистых оснований в ДНК, в то время как в дру-
гих методах расчеты содержания ГЦ- или АТ-пар основаны на косвен-
ных данных. Метод хроматографии на бумаге является классическим ме-
тодом определения нуклеотидного состава ДНК, в сравнении с которым
можно выявить точность и корректность использования других.
К физическим относятся метод определения содержания азотистых
оснований по температуре плавления ДНК и метод ультрацентрифугиро-
вания ДНК в градиенте плотности хлорида цезия.
Установлено, что существует прямая зависимость между содержани-
ем ГЦ-пар в молекуле ДНК и температурой ее плавления. Температура
плавления – это температура, при которой происходит денатурация ДНК
в результате разрыва водородных связей между азотистыми основания-
ми. Поскольку число водородных связей между гуанином и цитозином
больше (3), чем между основаниями в АТ-парах (2), то чем выше содер-
жание ГЦ-пар в ДНК, тем выше температура ее плавления. Следователь-
но, температура плавления любой ДНК служит показателем ее нуклео-
тидного состава.
Разделение цепей сопровождается заметным увеличением оптиче-
ской плотности при 260 нм, т. е. максимуме поглощения ДНК в УФ-све-
те, что легко измерить спектрофотометрически. При постепенном нагре-
вании образца ДНК поглощение увеличивается по мере разрыва водо-
родных связей и достигает плато при температуре, когда ДНК становит-
ся полностью одноцепочечной
Метод ультрацентрифугирования в градиенте плотности хлори-
да цезия (CsCl) основан на том, что имеется линейная зависимость меж-
ду плотностью ДНК и содержанием в ней ГЦ-пар. Препарат ДНК добав-
ляют к концентрированному раствору CsCl и центрифугируют в течение
24 ч. Установившееся за это время распределение ДНК в градиенте CsCl
зависит от ее плотности. При определении нуклеотидного состава ДНК
по градиенту плотности в CsCl в качестве стандарта используют ДНК с
заведомо известной плотностью. Применение этого метода ограничено
из-за сложности оборудования.
Существуют и другие методы определения нуклеотидного состава
ДНК (при помощи бромирования оснований, депуринизации, спектраль-
ного анализа, электрофореза в полиакриламидном геле и др.), но они не
нашли широкого применения в основном из-за высокой требовательно-
сти к качеству исследуемых препаратов ДНК и недостаточной точности.
Более тонким методом оценки генетического сходства организмов
является метод молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот, с
помощью которого определяют число и степень сходства гомологичных
участков в геномах сравниваемых видов. Главным достоинством этого
метода является то, что он впервые позволил провести количественную
оценку родства микроорганизмов. В основе метода лежит способность
денатурированных (одноцепочечных) ДНК в подходящих условиях реас-
социировать, т. е. соединяться с образованием двухцепочечных молекул
ДНК. Для этого ДНК, выделенную из клеток одного микроорганизма,
денатурируют нагреванием. Клетки другого штамма выращивают в сре-
де, содержащей радиоактивный предшественник ДНК (3Н, 14С), в резуль-
тате включения которого ДНК становится меченой. Из клеток этого
штамма выделяют ДНК, денатурируют ее и смешивают с денатуриро-
ванной ДНК первого штамма. Раствор выдерживают при температуре
ниже температуры плавления ДНК. При этом происходит «отжиг», или
специфическая реассоциация комплементарных цепей с образованием
двухцепочечных гибридных молекул ДНК. Оставшиеся после «отжига»
одноцепочечные ДНК удаляют обработкой ДНКазой. Гибридные моле-
кулы можно обнаружить путем центрифугирования препарата в градиен-
те CsCl, где они образуют полосы, занимающие промежуточное положе-
ние между «легкими» и «мечеными» молекулами двуспиральной ДНК.
При аналогичных экспериментах с препаратами ДНК из двух нерод-
ственных бактерий никакой гибридизации не выявляется; после «отжи-
га» двойные спирали образуются при специфическом спаривании только
тех цепей, которые первоначально были получены из одной и той же мо-
лекулы ДНК.
Однако оценка гомологии на основе метода центрифугирования в
градиенте плотности слишком громоздка для повседневного использова-
ния и, кроме того, позволяет обнаружить реассоциацию только тех ком-
плементарных цепей, которые обладают очень высокой степенью сход-
ства. Для измерения реассоциации молекул нуклеиновых кислот был
разработан ряд более простых методов. Все они основаны на том, что
образование двойных спиралей ДНК должно происходить при использо-
вании двух разных образцов денатурированной ДНК, один из которых
помечен радиоактивным изотопом; необходимо лишь отделение двой-
ных спиралей от остаточной одноцепочечной нуклеиновой кислоты и
измерение радиоактивности двойных спиралей.
Простейший повсеместно используемый способ изучения реассоциа-
ции нуклеиновых кислот – метод с применением колонки, содержащей
гидроксилапатит. Гидроксилапатит представляет собой гель фосфата
кальция, который при определенных условиях специфически адсорбиру-
ет только двойные, но не одиночные цепи нуклеиновых кислот. Гибри-
дизационную смесь пропускают через колонку, которую затем промы-
вают для удаления из нее одноцепочечных молекул. Адсорбированные
двойные спирали элюируют, и в элюате определяют радиоактивность.
Для этого метода необходимо присутствие очень большого избытка не-
меченой ДНК (в несколько тысяч раз превышающего количество мече-
ной ДНК), чтобы предотвратить реассоциацию меченых комплементар-
ных цепей.
В экспериментах по реассоциации любого типа должны быть стан-
дартизированы температурные условия, ионная сила раствора и средняя
длина фрагментов ДНК, так как все эти факторы влияют на возможность
образования двойных спиралей.
Следует отметить, что метод молекулярной гибридизации ДНК не
всегда может быть использован для изучения родственных связей между
эволюционно далекими группами бактерий. Существует определенный
уровень дивергенции нуклеотидных последовательностей ДНК, ниже ко-
торого образования гибридных молекул не происходит. В таком случае
изучают реассоциации ДНК–рРНК. Этот метод позволяет значительно
расширить список организмов, у которых можно выявить генетическую
гомологию благодаря тому, что на относительно небольшом участке бак-
териального генома, кодирующего рибосомные РНК, исходная последо-
вательность оснований является более консервативной и сохраняется
значительно полнее, чем в основной массе хромосомной ДНК. В итоге
путем реассоциации ДНК–рРНК часто можно обнаружить довольно вы-
сокую гомологию геномов двух бактерий, у которых реассоциация
ДНК–ДНК не выявляет заметной гомологии.
Как уже отмечалось, сравнивать генотипы бактерий можно с помо-
щью методов генетического анализа. Известно, что перенос генетиче-
ской информации и рекомбинация ее с ДНК реципиента может происхо-
дить только между двумя родственными организмами. Осуществлению
межвидового, межродового переноса генов могут препятствовать внеш-
ние барьеры, например различия в строении поверхностных структур
клеток, что ограничивает конъюгацию или необходимое для трансдук-
ции прикрепление бактериофага. Таким же препятствием является фер-
ментативное расщепление «чужой» ДНК после ее проникновения в клет-
ку в результате рестрикции со стороны хозяина. Образование генетиче-
ских рекомбинантов служит значительно более точным показателем
уровня генетической гомологии, чем гибридизация in vitro, поскольку
включение каждого отдельного фрагмента молекулы ДНК донора зави-
сит от степени его гомологии с ДНК реципиента именно в том неболь-
шом специфическом участке хромосомы, в котором должна произойти
рекомбинация.
В последние годы в таксономических исследованиях нашел приме-
нение такой метод изучения строения генома бактерий, как рестрикци-
онное картирование. Ферменты рестриктазы способны распознавать
специфические нуклеотидные последовательности и в строго определен-
ных участках (сайтах рестрикции) «разрезать» молекулы ДНК на фраг-
менты (рестрикты). Расположение фрагментов ДНК, продуктов расщеп-
ления, разделенных с помощью электрофореза в агарозном геле, дает
существенную информацию о типе и количестве специфических нуклео-
тидных последовательностей в хромосомах изучаемых организмов и по-
зволяет судить об их сходстве или различии. Этот метод привлекателен в
силу того, что дает возможность выявить сравнительно тонкие различия
в последовательностях нуклеотидов ДНК и поэтому его можно исполь-
зовать для дифференциации микроорганизмов на внутривидовом уровне.
Метод молекулярных, или генных, зондов (ДНК-зондов) основан на
реакции гибридизации между фрагментом нуклеотидной последователь-
ности (зондом), несущим наиболее специфический и консервативный
для данного вида бактерий ген, с полимерной ДНК изучаемого микроор-
ганизма. С помощью этого метода можно идентифицировать любой био-
логический объект. Точность метода зависит от используемого зонда
(его «чистоты»). Наилучшими ДНК-зондами являются полученные пу-
тем химического синтеза олигонуклеотидные последовательности, рас-
положение нуклеотидов в которых соответствует таковому в участке ге-
на (или всего гена), ответственного за определенную функцию бактерий.
ДНК-зонды метят различными способами, например флуоресцентными
красителями, радиоизотопами или биотином. Разрешающая способность
метода может быть значительно повышена с помощью цепной ДНК-
полимеразной реакции. В основе полимеразной цепной реакции (ПЦР)
лежит многократное реплицирование специфического участка нуклео-
тидной последовательности, катализируемое ДНК-зависимой ДНК-
полимеразой, и использование праймера (от англ. primer – запал, средст-
во воспламенения) – фрагмента ДНК, несущего наиболее специфичную
для данного микроорганизма нуклеотидную последовательность гена
(или участка гена). С помощью праймера обнаруживают искомый фраг-
мент идентифицируемого микроорганизма. Чувствительность метода ис-
ключительно высока и за несколько часов он позволяет увеличить число
копий исследуемого фрагмента ДНК в 106–108 раз. ПЦР может быть ис-
пользована для идентификации ДНК любого микроорганизма, если для
него имеется соответствующий праймер. Применение ПЦР особенно по-
казано в тех случаях, когда трудно выделить чистую культуру возбуди-
теля какого-либо заболевания из-за сложности методов культивирования,
малого количества возбудителя в исследуемом образце, высокой анти-
генной изменчивости и т. д. ПЦР незаменима для обнаружения во внеш-
ней среде так называемых некультивируемых, но жизнеспособных форм
бактерий, в том числе патогенных (холерного вибриона, сальмонелл, ле-
гионелл и др.). Тест-системы с праймерами для проведения ПЦР в целях
обнаружения возбудителей различных заболеваний разработаны и вне-
дряются в практику.
Определение нуклеотидных последовательностей (секвенирова-
ние) дает возможность проводить сопоставительный анализ последова-
тельностей в различных молекулах ДНК и РНК. Поскольку секвенирова-
ние всего генома бактерий в настоящее время – трудоемкая и дорого-
стоящая процедура, то чаще всего анализируются нуклеотидные после-
довательности рибосомных РНК – 16S-рРНК. Эта РНК универсально
распространена, функционально постоянна и, кроме того, достаточно
консервативна, чтобы установить глубокие эволюционные связи. Чем
больше различий в последовательности нуклеотидов 16S-рРНК у двух
бактерий, тем раньше началось расхождение между ними и, следова-
тельно, тем дальше отстоят они друг от друга в филогенетических отно-
шениях.
5. Серологические критерии систематики
Серологические (от лат. serum – сыворотка) критерии систематики
основаны на специфических реакциях взаимодействия антигенов (ком-
поненты клеточных стенок, жгутиков, капсул, ДНК и токсинов) иденти-
фицируемых микроорганизмов с антителами, содержащимися в сыво-
ротках. Между антигенами и соответствующими им антителами проис-
ходит связывание, что положено в основу методов серологической диаг-
ностики.
Такие серологические реакции, как агглютинация, преципитация,
связывание комплемента, иммунофлуоресценция, иммуноферментный и
радиоиммунный анализ, позволяют легко и быстро проводить предвари-
тельную идентификацию микроорганизмов.
Для постановки серологических реакций необходима сыворотка, ко-
торую получают из крови лабораторного животного, иммунизированного
коллекционным (известной видовой и штаммовой принадлежности)
микроорганизмом. Она содержит антитела, специфичные к данному
штамму. Полученную сыворотку используют в серологических реакциях
для выявления родственных микроорганизмов, обладающих такими же
антигенными детерминантами, как и коллекционный штамм.
Серологические методы являются важным инструментом в диагно-
стике и лечении инфекционных заболеваний человека и животных, по-
скольку с их помощью можно не только идентифицировать возбудителя
заболевания, но и обнаружить в крови больных и переболевших специ-
фические антитела к соответствующим возбудителям. Серологические
методы, пожалуй, остаются единственными методами диагностики при
невозможности или трудностях выделения возбудителя, сравнительно
редко дают ложноположительные или ложноотрицательные результаты.
6. Современная классификация бактерий
В современной систематике бактерий сложилась ситуация, характер-
ная и для классификации других организмов: достигнуты успехи в соз-
дании филогенетической системы классификации, отражающей основ-
ные направления эволюционного развития и родство представителей оп-
ределенных таксонов, но сохраняют свое значение искусственные фено-
типические классификации, более удобные для идентификации микроор-
ганизмов.
В настоящее время отсутствует сколько-нибудь детализированная
эволюционная система прокариот и, скорее всего, решение этой пробле-
мы – дело неблизкого будущего. Особенности прокариот в области мор-
фологической, физиолого-биохимической, генетической организации го-
ворят о неприменимости к ним хорошо разработанных принципов, ис-
пользуемых при построении системы высших организмов.
Не останавливаясь на исторических аспектах проблемы систематики
бактерий, следует отметить, что наиболее приемлемой филогенетической
системой классификации прокариот является система, основанная на со-
поставлении последовательности нуклеотидов в 16S-рРНК. Эта система
положена в основу 2-го издания многотомной энциклопедии прокариот –
Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology (Руководство по систематике
бактерий Берджи), первый том которой вышел в свет в 2001 г. В этом
труде все прокариоты разделены на 26 филогенетических «ветвей»
(групп) на основании строения их 16S-рРНК; 23 «ветви» представлены
эубактериями, а три – архебактериями. Следует подчеркнуть, что боль-
шое количество этих филогенетических групп содержат виды прокариот,
которые не выделены в виде чистых культур и поэтому еще детально не
изучены. Для представителей данных видов известны в настоящее время
только последовательности нуклеотидов в 16S-рРНК. Из 23 групп эубак-
терий две филогенетические группы представлены грамположительными
бактериями, остальные группы – грамотрицательными.
Грамотрицательные бактерии состоят из крупной группы Протеобак-
терий (Proteobacteria) и 20 групп остальных бактерий, имеющих данный
тип клеточной стенки. Краткая характеристика Протеобактерий, к кото-
рым по составу 16S-рРНК наиболее близки митохондрии и хлоропласты
большинства эукариот, приведена в табл. 2.
Протеобактерии – очень гетерогенная в морфологическом, физиоло-
гическом и биохимическом плане группа грамотрицательных бактерий.
Для представителей этой группы характерны все типы энергетического
метаболизма и питания. Клетки большинства видов Протеобактерий
имеют палочковидную, сферическую или вибриоидную форму, размно-
жаются в основном бинарным делением, но для некоторых видов харак-
терно почкование и образование плодовых тел в сложном клеточном
цикле. В этой группе имеются как подвижные за счет жгутиков, так и
неподвижные бактерии. По отношению к молекулярному кислороду
Протеобактерии бывают облигатными аэробами, облигатными и факуль-
тативными анаэробами. Группа Протеобактерий на основании различий
в 16S-рРНК разделена на пять подгрупп: альфа, бета, гамма, дельта и эп-
силон.
Кроме Протеобактерий, к грамотрицательным относятся следующие
основные группы эубактерий: водородные термофилы, зеленые нитчатые
бактерии, зеленые серные бактерии, цианобактерии, спирохеты, цитофа-
ги, бактероиды, хламидии, планктомицеты, дейнококки, хлорофлексусы,
фузобактерии, фибробактерии, термодесульфобактерии и др.
Филогенетические группы грамположительных бактерий – Actinobacteria
и Firmicutes. Группа Actinobacteria («актиномицетная ветвь») пред-
ставлена следующими родами бактерий, имеющими в ДНК высокое со-
держание ГЦ-пар: Geodermatophilus, Frankia, Streptomyces, Arthrobacter,
Micrococcus, Actinomyces, Bifidobacterium, Propionibacterium, Actinoplanes,
Nocardia, Rhodococcus, Corynebacterium, Mycobacterium. Группа
Firmicutes («клостридиальная ветвь» – главным образом грамположи-
тельные бактерии с низким содержанием ГЦ-пар в ДНК) состоит из
следующих родов: Clostridium, Lactococcus, Pediococcus, Streptococcus,
Enterococcus, Leuconostoc, Listeria, Caryophanon, Staphylococcus, Sarcina,
Sporosаrcina, Bacillus, Desulfotomaculum, Heliobacterium, Mycoplasma,Ureaplasma и др.
В составе архебактерий выделяют три филогенетические группы:
Crenarchaeota, Euryarchaeota и Korarchaeota. Группа Crenarchaeota со-
стоит из экстремально термофильных бактерий, большинство представи-
телей которых осуществляют метаболизм серы, некоторые восстанавли-
вают ионы железа и молибдена. В группу Euryarchaeota входят облигат-
но анаэробные метаногенные архебактерии, а также экстремальные тер-
мофилы и галофилы. Группа Korarchaeota образована архебактериями,
обитающими в горячих серных источниках. До настоящего времени ни
один из представителей этой группы (обладающих сходной 16S-рРНК)
не выделен в виде чистой культуры, поэтому их фенотипические призна-
ки изучены недостаточно.
Заканчивая рассмотрение филогенетических ветвей прокариот, сле-
дует отметить, что предложенная филогенетическая система, основанная
на исследовании нуклеотидных последовательностей только одного гена
рибосомной РНК – не более чем одна из технически удобных и разрабо-
танных систем упорядочения многочисленных организмов в целях их
идентификации, поэтому построить логически верную таксономию бак-
терий только с учетом этого признака не представляется возможным.
Наиболее признанной и используемой фенотипической классифика-
цией бактерий является классификация, представленная в девятом изда-
нии Определителя бактерий Берджи. В этом издании бактерии на осно-
вании строения пограничного слоя клетки разделены на четыре основ-
ные категории (отдела): 1) Gracilicutes (от лат. cutes – кожа, gracilis –
тонкий) – грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки;
2) Firmicutes (от лат. firmus – прочный) – грамположительные эубакте-
рии, имеющие клеточные стенки; 3) Tenericutes (от лат. tener – мягкий,
нежный) – эубактерии, лишенные клеточных стенок; 4) Mendosicutes (от
лат. mendosus – ошибочный) – архебактерии, клеточные стенки которых
отличаются от аналогичных структур других прокариот.
В отдел Gracilicutes входят бактерии различной морфологии с гра-
мотрицательной клеточной стенкой. Размножение происходит в основ-
ном бинарным делением, некоторые бактерии размножаются почковани-
ем. Эндоспор не образуют. Большинство подвижны: встречаются все ти-
пы передвижения бактерий – с помощью жгутиков, скольжением, изги-
банием. Отдел включает аэробные, анаэробные и факультативные ана-
эробные бактерии; фототрофные и хемотрофные бактерии. Отдел под-
разделяют на три класса: Scotobacteria, Oxyphotobacteria, Anoxyphotobacteria.
В класс Scotobacteria входят грамотрицательные бактерии, не ис-
пользующие световую энергию для целей метаболизма, а получающие ее
только в результате окислительно-восстановительных реакций. Название
класса происходит от греч. sсotos – темнота. Это самый крупный класс
бактерий. В класс Anoxyphotobacteria входят пурпурные бактерии, зеле-
ные бактерии и гелиобактерии, осуществляющие аноксигенный фото-
синтез (без выделения молекулярного кислорода). Класс Oxyphotobacteria
представлен цианобактериями и прохлорофитами, осуществляющими
оксигенный фотосинтез (с выделением молекулярного кислорода). Этот
тип фотосинтеза аналогичен фотосинтезу, протекающему в растениях.
В отдел Firmicutes включены бактерии с грамположительной кле-
точной стенкой. Клетки могут иметь разную форму: палочки, кокки, ни-
тевидные, ветвящиеся. Некоторые представители образуют эндоспоры.
Большинство из них неподвижны; подвижные формы имеют перитрихи-
альное жгутикование. В состав отдела входят аэробные, анаэробные и
факультативно анаэробные бактерии. Отдел состоит из двух классов:
Firmibacteria, Thallobacteria. Класс Firmibacteria включает большое ко-
личество «неветвящихся» грамположительных бактерий. Класс Thallobacteria
включает бактерии, клетки которых способны «ветвиться».
Отдел Tenericutes представлен бактериями, не имеющими клеточной
стенки. В связи с отсутствием клеточной стенки форма клеток непосто-
янна: в чистой культуре одного вида одновременно присутствуют кокко-
видные, палочковидные, нитевидные, грушевидные, дисковидные и дру-
гие клетки. Размножение бактерий, входящих в этот отдел, происходит
бинарным делением, почкованием. Окрашивание по Граму отрицатель-
ное. Характерно образование мелких, врастающих в агар колоний. Могут
быть сапрофитными, паразитами или патогенами. Отдел состоит из од-
ного класса Mollicutes (микоплазмы).
Отдел Mendosicutes образован бактериями с ригидной клеточной
стенкой, но не содержащей пептидогликана муреина. Большинство пред-
ставителей – строгие анаэробы, многие из которых имеют жгутики. Ви-
ды характеризуются экологическим и метаболическим разнообразием,
способностью жить в экстремальных условиях. Отдел состоит из одного
класса – Archaebacteria.
В составе четырех отделов (основных категорий) выделено 35 групп
(или секций) бактерий, которые в большей или меньшей степени будут
охарактеризованы в последующих главах.
К отделу Gracilicutes принадлежат следующие группы.
Группа 1. Спирохеты.
Группа 2. Аэробные (или микроаэрофильные), подвижные, спирале-
видные (или вибриоидные) грамотрицательные бактерии.
Группа 3. Неподвижные или редко подвижные грамотрицательные
изогнутые бактерии.
Группа 4. Грамотрицательные аэробные (или микроаэрофильные) па-
лочки и кокки.
Группа 5. Факультативно аэробные грамотрицательные палочки.
Группа 6. Грамотрицательные анаэробные прямые, изогнутые или
спиралевидные палочки.
Группа 7. Бактерии, осуществляющие диссимиляционное восстанов-
ление серы или сульфата.
Группа 8. Анаэробные грамотрицательные кокки.
Группа 9. Риккетсии и хламидии.
Группа 10. Аноксигенные фототрофные бактерии.
Группа 11. Оксигенные фототрофные бактерии.
Группа 12. Аэробные хемолитотрофные бактерии и близкие организ-
мы.
Группа 13. Почкующиеся и (или) образующие выросты бактерии.
Группа 14. Бактерии, имеющие чехлы.
Группа 15. Нефотосинтезирующие скользящие бактерии, не обра-
зующие плодовых тел.
Группа 16. Скользящие бактерии, образующие плодовые тела.
В отдел Firmicutes входят:
Группа 17. Грамположительные кокки.
Группа 18. Грамположительные палочки и кокки, образующие эндо-
споры.
Группа 19. Грамположительные палочки правильной формы, не обра-
зующие спор.
Группа 20. Грамположительные палочки неправильной формы, не об-
разующие спор.
Группа 21. Микобактерии.
Группы 22–29. Актиномицеты.
К отделу Tenericutes принадлежит:
Группа 30. Микоплазмы.
Отдел Mendosicutes включает:
Группа 31. Метаногены.
Группа 32. Сульфатредуцирующие архебактерии.
Группа 33. Экстремально галофильные архебактерии (галобактерии).
Группа 34. Архебактерии, лишенные клеточной стенки.
Группа 35. Экстремально термофильные и гипертермофильные архе-
бактерии, метаболизирующие серу.
В заключение следует подчеркнуть, что большинство микроорганиз-
мов, существующих в природных сообществах, еще должно быть выде-
лено в чистые культуры. Считается, что в настоящее время культивиро-
вать можно только 0,1 % всего микробного разнообразия, а остальных
представителей бактерий вырастить и идентифицировать не удается, хо-
тя уже в чистую культуру выделены и описаны около 5 тыс. видов про-
кариот.
7. Археи
Археи - одноклеточные организмы, образующее отдельное надцарство или домен живых организмов. Архей в переводе означает древний, так как эти организмы преобладали на Земле и играли ведущую роль в биологических процессах трансформации элементов в начальные периоды эволюции жизни. Все живые организмы в природе делят на прокариотов и эукариотов. К прокариотам относятся археи и бактерии, к эукариотам - все остальные живые существа (животные, растения и пр.). Главное отличие прокариот от эукариот заключается в том, что у первых отсутствует клеточное ядро и генетический материал представлен одной молекулой ДНК. Также у прокариотических организмов отсутствуют мембранные органеллы, отличается механизм деления клеток и другие процессы жизнедеятельности.
Археи, как представители прокариот имеют сходные с бактериями размеры, принципы организации и способы деления, однако представители этого домена имеют свои существенные особенности: 1. Большинство архей - экстремофилы, то есть развиваются в экстремальных условиях, при высокой температуре, кислотности, в насыщенных солевых растворах.
2. Они имеют самую разнообразную форму: сферическую, палочкообразную, спиральную, треугольную и прямоугольную.
3. Своеобразное строение рибосом и рибосомальных и транспортных РНК.
4. В состав липидов клеточной мембраны входят не жирные кислоты, а многоатомные спирты. Мембрана представляет собой не липидный бислой, а монослой. Покровы клеток у разных архей имеют разнообразное строение и химический состав, часто присутствуют поверхностные слои, образованные определенным образом структурированными и регулярно уложенными белковыми или гликопротеидными молекулами правильной или довольно причудливой формы.
5. В клетках некоторых архей происходят биохимические процессы, не свойственные никаким другим организмам. Например, только определенные представители архей в процессе своей жизнедеятельности образуют метан.
6. Среди архей нет паразитизма, но есть симбиоз т.е. взаимная польза живущих совместно организмов.
7. По типу питания многие их них относятся к автотрофам, т.е. они не нуждаются в органической пище и получают необходимую для жизни энергию за счет окислительно-восстановительных реакций, в которые вовлечены неорганические молекулы. Это позволяет им существовать в экстремальных условиях, где не могут жить никакие другие организмы.
8. У архей отсутствуют хлорофиллы и бактериохлорофиллы, фотосинтетическим пигментом является бактериородопсин — уникальный белок, имеющий сходство с родопсином, однако встречающийся только у галобактерий. Для фотосинтеза архей также характерно отсутствие электрон-транспортной цепи, генерирование протонного градиента осуществляется при помощи бактериородопсиновой протонной помпы.
Все археи делятся на два царства: кренархеота и эуриархеота. Археи, относящиеся к кренархеотам получают энергию путем восстановления или окисления соединений серы, и являются гипертермофилами, то есть развиваются при температуре выше 80С. Эти археи обитают исключительно в горячих источниках, на поверхности Земли или дне океана, в зонах вулканической активности. Местом их обитания являются, в частности, окрестности глубоководных вулканических источников, расположенных в океане на тысячеметровых глубинах. Представители царства эуриархей широко распространены. К ним относится большая группа метанобразующих архебактерий. Метанобразующие археи широко распространены: 1, 0-1, 5% углерода, участвующего в круговороте углерода в биосфере, проходит через стадию метана. Также они входят в состав кишечной микрофлоры, в частности развиваются в отделе желудка - рубце жвачных животных. Накопление метана, хотя и незначительное, отмечено и в кишечнике человека. Метанобразующие бактерии интенсивно синтезируют витамин В12 и обеспечивают им своих хозяев. Также к это группе относятся галофильные археи, способные жить при концентрациях солей, превышающих 250-300 г/л. Галофилы населяют соляные озера, например Мертвое море.
Особо выделяют кислотолюбивые археи из группы эвриархеот. Они используют для жизни органические соединения. Сюда относятся так называемые термоплазмы, развивающиеся в горячих и кислых вулканических источниках и лишенные клеточной стенки. Например архебактерия Picrophilus растет только при значениях рН ниже 2, 2 и даже при рН около 0.
Использование архебактерий человеком: метанобразующие археи используют для утилизации органических отходов. В метантенках при высокой температуре и отсутствии свободного кислорода происходит сбраживание органических веществ микрофлорой, в результате чего образуются водород и углекислота, которые и используются археями при образовании метана. Благодаря высокой температуре процессы идут с высокой интенсивностью. Ферменты выделенные из термофильных архебактерий используют при постановке полимеразной цепной реакции (ПЦР).
Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 1641 | Нарушение авторских прав
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|
