Курс лекций по общей микробиологии основам вирусологии двух частях
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
Глава 5 СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ГРУПП ПРОКАРИОТ 5.1. Основные термины, принятые в микробиологии для обозначения таксономических структур и сообществ микроорганизмов Систематика (таксономия) -наука о многообразии и взаимосвя-зях между организмами. Одна из задач систематики - распределение (клас-сификация) множества организмов по группам (таксонам). Таксон —группа организмов,объединенная по определенным одно-родным свойствам в рамках той или иной таксономической категории. Раздел систематики, изучающий принципы классификации, называется таксономией (от греч.taxis -расположение,порядок). Специальный раздел таксономии - номенклатура - разрабатывает правила присвоения наименований описанным объектам. В систематике бактерий для наименования объекта используют биноминальную номенк-латуру К. Линнея, согласно которой биологическому виду присваивают название, состоящее из двух слов: первое определяет принадлежность ор-ганизма к определенному роду, второе - виду. Названия бактериям при-сваивают в соответствии с правилами Международного кодекса номенкла-туры (зоологической, ботанической, номенклатуры бактерий, вирусов). Самой крупной таксономической категорией является царство, более мелкими - подцарство, отдел, класс, порядок, семейство, род, вид, подвид и др. Одной из основных таксономических категорий является вид (spe-cies). Вид - это совокупность популяций особей, способных к скрещива-нию с образованием плодовитого потомства, обладающих рядом морфоло-гических, биохимических, физиологических признаков, населяющих опре-деленный ареал, обособленных от других видов нескрещиваемостью в природных условиях. 137 Однако у прокариот размножение половым путем отсутствует, по-этому данный признак для определения видовой принадлежности к ним неприменим. Отнесение прокариотных организмов к одному или разным видам осуществляется в большой степени эмпирическим путем на основе анализа многих признаков, при этом генетическая информация, содержа-щаяся в нехромосомных генетических элементах, для определения видо-вой принадлежности не используется. Поэтому вид микроорганизмов - это совокупность особей, объеди-ненных по сходству морфофизиологических свойств, но отличающихся от других представителей рода. Виды объединяют в таксоны более высокого ранга - роды, роды - в семейства, далее следуют порядки, классы, отделы, царства. Для высших таксономических категорий пока нет удовлетворительного определения. Совокупность однородных организмов, выделенных на питательной среде, характеризующаяся сходными морфологическими, тинкториальны-ми, культуральными, биохимическими и антигенными свойствами, назы-вается чистой культурой. микробиологии употребляются такие термины, как «штамм» и «клон». Штамм - более узкое понятие, чем вид или подвид. Чистая куль-тура микроорганизмов, выделенных из определенного источника и отли-чающихся от других представителей вида, называется штаммом. Разли-чия между штаммами не выходят за пределы вида. Клон — еще более узкое понятие, это совокупность потомков, выращенных из единственной мик-робной клетки. Для обозначения некоторых совокупностей микроорганизмов, отли-чающихся по тем или иным свойствам, употребляется суффикс var (разно-видность) или type (тип). Поэтому микроорганизмы в зависимости от ха-рактера различий обозначают как морфовар или морфотип (отличие по морфологии), резистовар или резистотип (отличие по устойчивости к ан-тибиотикам), серовар или серотип (отличие по антигенам), фаговар или фаготип (отличие по чувствительности к бактериофагам), биовар или био-тип (отличие по биологическим свойствам) и т.д. Например, название сенной палочки пишется как Bacillus subtilis. Первое слово - название рода, которое начинается с прописной буквы, вто-рое слово обозначает вид и пишется со строчной буквы. При повторном написании вида родовое название сокращается до начальной буквы, на- пример B. subtilis. 138 5.2. Проблемы систематики микроорганизмов Первым исследователем, предложившим объединить все обнаружен-ные почти за два столетия микроорганизмы в одно царство, был Э. Геккель (1866 г.). Он поместил все одноклеточные (микроскопические) организмы новое царство Protista отдельно от растений (Plantae) и животных (Ani-malia), которые являются многоклеточными(макроскопическими)орга-низмами. Появление электронного микроскопа в 1950-х гг. выявило две группы фундаментально отличающихся клеток среди этого царства: одни клетки содержали окруженное мембраной ядро, а другие не имели этой внутриклеточной структуры. Последние были временно перемещены в четвертое царство Monera (или Moneres), впоследствии названное Pro-caryotae. Protista оставалось как царство одноклеточных эукариотическихмикроорганизмов. В 1967 г. было выделено пятое царство - Грибы (Fungi) как отдельное царство многоклеточных эукариотических микроорганизмов. XX в. проблемы в систематике микроорганизмов, а бактерий осо-бенно, стали возрастать в связи со стремительно увеличивавшимся объе-мом знаний об этих организмах. 1980-х гг. был проведен филогенетический анализ всех форм кле-точной жизни, основанный на сравнительном секвенировании РНК малой субъединицы рибосомы, которая содержится во всех организмах. На этот раз было показано, что существует две группы прокариот, которые не свя-заны друг с другом так же, как эукариоты и все прокариоты. Таким обра-зом, были определены три клеточные формы жизни: эукариоты, бактерии и археи. Кроме фундаментальных различий между археями и бактериями, ос-нованных на несходствах в нуклеотидной последовательности 16S-рибосомной РНК, есть много биохимических и фенотипических различий между двумя группами прокариот (см. табл. 1). Возможно, что успех эукариотических клеток в эволюции основан на слиянии двух форм прокариотических клеток, одни из которых стали ци-топлазматическими органеллами (митохондрии и хлоропласты). Важным шагом в развитии систематики прокариот явилось исполь-зование признаков, дающих информацию о химическом строении клетки: состав оснований ДНК, ДНК-ДНК- и ДНК-РНК-гомологии, аминокислот-ная последовательность белков, строение рибосом, компонентов клеточной стенки и т.д. 139 5.3. Современная классификация номенклатура микроорганизмов Существуют 2 типа систематики биологических объектов: филоге-нетическая, или естественная, в основе которой лежит установлениеродственных (генетических, эволюционных) связей между организмами, и практическая, или искусственная, цель которой-выявление степенисходства между организмами для быстрой их идентификации и установле-ния принадлежности к определенным таксонам. Если существующая сис-тематика высших организмов отражает в определенной мере эволюцион-ные связи между ними, то есть признаки, используемые для выявления сте-пени сходства, отражает и степень родства между этими организмами, то по-пытка создания на этой же основе систематики прокариот не была успешной. Сегодня задача быстрой идентификации прокариотных организмов наиболее полно решается с помощью издания «Определитель бактерий», периодически выпускаемого Обществом американских бактериологов с привлечением крупных специалистов в области изучения тех или иных групп бактерий. Первое издание определителя было выпущено в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д. X. Берги (1860 - 1937 гг.); девятое издание в 4 томах вышло в 1984 - 1989 гг. девятом издании «Определителя бактерий» Берги все обнаружен-ные организмы, отнесенные в царство Рrоcаrуоtaе, разделены на 33 груп-пы. Признаки, по которым осуществляется разделение на группы, как пра-вило, относятся к категории легко определяемых и вынесены в названия групп, например: грамотрицательные аэробные палочки и кокки (группа 4), анаэробные грамотрицательные кокки (группа 8), грамположительные па-лочки и кокки, образующие эндоспоры (группа 13), скользящие бактерии, образующие плодовые тела (группа 24). Основная идея классификации по Берги - легкость идентификации бактерий. Для осуществления этого используют совокупность признаков: Морфологические признаки - величина, форма, характер взаимо расположения . Тинкториальные свойства - способность окрашиваться различны ми красителями. Особенно важным признаком является отношение к окра ске по Граму, которое зависит от структуры и химического состава кле точной стенки бактерий. По этому признаку все бактерии делятся на грам положительные и грамотрицательные. Морфологические свойства и отно шение к окраске по Граму определяют принадлежность к крупным таксо нам - роду, семейству и т.д. 140 Культуральные свойства - особенности роста на жидких и плот ных питательных средах. Подвижность бактерий. Различают подвижные (ползающие или скользящие, плавающие) и неподвижные бактерии. Спорообразование - форма и характер расположения споры в клетке. Физиологические свойства - способы углеродного (аутотрофы, гете-ротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) питания; тип дыха ния: аэробы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы, микроаэрофилы. Биохимические свойства - способность ферментировать различ ные углеводы, протеолитическая активность, образование индола, серово дорода, наличие уреазы и других ферментов и т.д. Чувствительность к специфическим бактериофагам. Антигенные свойства. Они зависят от химического состава кле точной стенки и жгутиков бактерий. Химический состав клеточных стенок (содержание и состав ос новных сахаров и аминокислот). Липидный и жирнокислотный состав. Изучение состава жирных кислот проводят с помощью газовой хроматографии, которая обладает вы сокой разделительной способностью и чувствительностью. Белковые спектры. С помощью методов фракционирования (дву мерный электрофорез в полиакриламидном геле) разделяют сложные сме си рибосомных, мембранных или внутриклеточных белков и получают электрофореграммы, или белковые спектры, соответствующей фракции данного вида бактерий. Нуклеотидный состав и последовательность нуклеотидов в моле куле ДНК; наличие и характер минорных оснований в ДНК; нуклеотидный состав рибосомальной РНК; последовательность аминокислот в фермент ных белках с аналогичными функциями. Для классификации бактерий все более широко используют методы геносистематики (изучение нуклеотидного состава ДНК и наиболее важ-ных характеристик генома: величины, молекулярной массы, объема и дру-гих параметров). Для девятого издания «Определителя бактерий» Берги характерен отказ от построения классической иерархической системы классификации. Она заменена списком упомянутых выше групп и сохранилась только фрагментами. Ценность определителя состоит в том, что он представляет собой наиболее полную сводку известных бактериальных форм и самое современное пособие для идентификации бактерий. 141 Отдел Отдел I Gracilicиtes* Отдел II Firmicиtes Отдел III Tenericиtes Отдел IV. Mendosicиtes этом же руководстве предложена схема деления царства Рrоcarуotae на высшие таксоны(отделы,классы).В основу деления на от-делы положено строение клеточной стенки. Название и краткая характери-стика отделов и классов представлены в табл. 9. Таблица 9 Основные характеристики высших таксонов царства Proсaryotae   Краткая характеристика Включает организмы с разной морфологией, имеющие грамотрица - тельную клеточную стенку. Размножаются в основном бинарным де-лением, в некоторых группах - почкованием, в одной - множествен-ным делением. Спор не образуют. Многие подвижны с помощью жгутиков или скольжения. Аэробные, анаэробные или факультативно анаэробные формы. Отдел подразделяется на 3 класса, объединяю - щие нефотосинтезирующие (Scotobacteria) и фотосинтезирующие (Anoxyphotobacteria, Oxyphotobacteria) организмы Входят организмы с грамположительной клеточной стенкой. Раз - множаются в основном бинарным делением. У некоторых образуются эндоспоры. У других - споры на гифах или в спорангиях. Переме-щаются с помощью жгутиков. Большинство неподвижны. В состав отдела входят аэробные, анаэробные, факультативно анаэробные формы. В зависимости от морфологии предложено деление на 2 класса: Firmibacteria (кокки,палочки,неветвящиеся нити)и Тhallobacteria (ветвящиеся формы) Относятся прокариоты, у которых отсутствует клеточная стенка и не синтезируются предшественники пептидогликана. Клетки окружены ЦПМ, чрезвычайно плеоморфны. Размножение бинарным делением, почкованием, фрагментацией. Окрашивание по Граму отрицательное. Характерно образование мелких, врастающих в агар колоний. Могут быть сапрофитами, паразитами или патогенами. Представлены одним классом - Mollicutes Объединены прокариоты, по имеющимся данным претендующие на более раннее происхождение, чем формы, включенные в I и II отде- лы. Клетки разной формы: кокки, палочки, нити. Многие плеоморф- ны. Большинство имеют клеточную стенку, но она не содержит ти - пичного пептидогликана. Клеточная стенка может быть построена только из белковых макромолекул или гетерополисахаридов. Окрашивaниe по Граму отрицательное или положительное. Большин- ство - строгие анаэробы. Многие имеют жгутики. Характеризуются экологическим и метаболическим разнообразием, способностью жить экстремальных условиях. Объединены в класс Archaeobacteria Термины образованы от следующих латинских слов: cutes - кожа; gracilis тонкий; firmus - крепкий, прочный; tener - мягкий, нежный; mendosus - ошибочный. 142 Представленная в «Определителе бактерий» Берги система класси-фикации является строго идентификационной и не решает задачи выявле-ния эволюционных связей между прокариотами. В то же время конечной целью является построение такой системы, в основе которой лежали бы родственные связи между прокариотными организмами. Первая попытка в этом направлении принадлежит С. Орла-Йенсену, предложившему филогенетическую систему бактерий, основанную на фи-зиологических признаках. Важный шаг на пути создания естественной сис-тематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии. В 60-х гг. в. было установлено, что все свойства организма определяются уни-кальными химическими молекулами - ДНК, поэтому бактерии могут быть классифицированы путем сравнения их геномов. По такому признаку, как генетический материал, оказалось возможным на основании выявления степени сходства делать вывод о степени родства между организмами. Первоначально для таксономических целей сравнивали молярное со-держание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количе-ства оснований ДНК у разных объектов. Этот показатель у прокариот колеблется от 25 до 75 %. Однако ГЦ-показатель дает возможность только для грубого сравнения геномов. Если организмы имеют одинаковый нуклеотидный состав ДНК, возможно и сходство и различие между ними, поскольку генетическое кодирование основано не только на определенном содержании оснований в единице ко-дирования (триплете), но и на их взаимном расположении. Колебания нук-леотидного состава ДНК у эукариотных микроорганизмов (мол. %): грибы - 26 - 70, водоросли - 37 - 68, простейшие - 22 - 68; у высших растений и животных - 35 - 45. Колебания в составе оснований ДНК вирусов прибли-зительно такие же, как у прокариот. Более тонкий метод оценки генетиче-ского сходства организмов - сравнение нуклеотидных последовательно-стей ДНК из разных источников методом ДНК-ДНК-гибридизации. В це-лом значение данных о строении ДНК для систематики прокариот огром-но, так как позволяет перейти от установления степени сходства к выводам степени родства между организмами. Помимо анализа молекул ДНК, для установления степени родства между прокариотными организмами разработаны методические подходы, 143 позволяющие сравнивать продукты отдельных генов, выполняющие в клетке одинаковые функции. Это могут быть белки (ферредоксины, цито-хромы и др.) или рРНК. С использованием последних в качестве филогене-тических маркеров связано крупное открытие, позволяющее по-новому взглянуть на систему живого мира. Выбор рРНК для решения проблем эволюционной систематики про-кариот оказался удачным по ряду причин: эти молекулы обнаружены у всех клеточных форм жизни, что указывает на их древнейшее происхож-дение; их функции всегда одинаковы; первичная структура в целом харак-теризуется высокой консервативностью. Особенностью рРНК является ее нахождение вне сферы действия отбора, поэтому данные молекулы эволю-ционируют в результате спонтанных мутаций, происходящих с постоянной скоростью, и накопление таких мутаций зависит только от времени. Таким образом, мерой эволюционного расстояния между организмами служит количество нуклеотидных замен в молекулах сравниваемых рРНК. Известно, что в рибосомах прокариот и эукариот присутствуют 3 ти-па рРНК, различающихся молекулярной массой и коэффициентом седи-ментации. Информационная емкость крупных молекул больше, но их труд-нее анализировать. Поэтому наиболее удобным оказался анализ молекул рРНК средней величины: 16S (у прокариот) и 18S (у эукариот), состоящих из 1600 и 2500 нуклеотидов. К настоящему времени последовательности 16S и й18SрРНК изучены более чем у400организмов,принадлежащих кразным царствам живой природы. На основании полученных данных рас-считаны коэффициенты сходства сравниваемых организмов, что привело к неожиданным результатам: выявлены не две группы организмов, разли-чающихся прокариотным и эукариотным типами клеточной организации, а три: Одну образуют все эукариоты: высшие растения, животные, дрожжи, водоросли и т.п. В эту группу не вошли органеллы эукариот (ми тохондрии, хлоропласты). Таким образом, первая группа представлена ядерно-цитоплазматическим компонентом эукариотных клеток. Ко второй группе, получившей название бактерий, относится по давляющее большинство прокариот. Сюда же попали на основании степе ни гомологии 16SрРНК митохондрии и хлоропласты эукариотных клеток. 144 3. Наконец, в третью группу вошли некоторые малоизученные про-кариоты, обитающие в экстремальных условиях: метанобразующие бакте-рии, экстремальные галофилы и термоацидофилы. Эта группа организмов получила название архебактерий. Общая характеристика архей. Хотя клетки архей структурно отно-сятся к прокариотному типу, они построены из макромолекул (липидов, полисахаридов, белков), многие из которых являются уникальными и не синтезируются ни эукариотами, ни бактериями. Археи осуществляют ряд биохимических процессов, не свойственных остальным живым организ-мам. На основании этого был сделан вывод, что археи, по-видимому, пред-ставляют собой одну из самых древних групп живых существ. Среди архей выделяют: 1. Метаногены - анаэробы (восстанавлива-ют СО2 до метана по реакции СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О + 31,3 ккал/моль, водород потребляют из атмосферы). 2. Экстремальные галофилы - аэро-бы, способные расти в насыщенном растворе NaCl (от 12 - 15 до 32 %). Обладают системой фотосинтеза, отличной от системы фотосинтезирую-щих бактерий, так как у них нет хлорофилла, но есть бактериородопсин. Термоацидофилы -характеризуются высокими оптимальными темпе-ратурами (от +75 до +90 °С) и низким значением рН (от 5 - 6 до 1 - 2) для своего роста. Экстремальные условия существования архей указывают на то, что их предки возникли тогда, когда физические условия существенно отличались от современных. Патогенных видов среди них не обнаружено. Открытие в мире прокариот группы архей поставило заново вопрос о пу-тях клеточной эволюции с момента возникновения некоей гипотетической первичной клетки. Традиционная общая схема клеточной эволюции основывается на следующих предположениях: из популяции первичных клеток в результате целого ряда событий, приведших к повышению уровня клеточной органи-зации, под давлением естественного отбора возникла популяция предко-вых прокариотных клеток, из которых в конечном итоге произошли разные группы прокариот. Маловероятно, чтобы предковые прокариотные клетки все были «на одно лицо». Единственная их общая черта - прокариотная организация (см. табл. 1). Эукариотная клетка возникла в результате эндо- 145 симбиоза, в котором ядерно-цитоплазматическим компонентом, то есть клеткой-хозяином, и эндосимбионтами, превратившимися впоследствии в митохондрии и хлоропласты, были существенно различающиеся между собой прокариотные клетки. Следствием такого взгляда на общий ход эво-люции явилось признание двух основных надцарств живых организмов - Рrоcаrуоtае и Еucаrуоtае. 5.4. Основные принципы классификации вирусов и характеристика некоторых представителей царства Vira вирусологии используют следующие таксономические категории: семейство (название оканчивается на viridae), подсемейство (название оканчивается на virinae), род (название оканчивается на virus). Однако названия родов и особенно подсемейств сформулированы не для всех вирусов. Вид вируса биноминального названия, как у бактерий, не получил. В основу классификации вирусов положены следующие крите-рии (табл. 10): - тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), ее структура, количест во нитей (одна или две), особенности воспроизводства вирусного генома; - размер и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии; - наличие суперкапсида; - чувствительность к эфиру и дезоксихолату; - место размножения в клетке; - антигенные свойства и пр. Вирусы поражают позвоночных и беспозвоночных животных, а так-же растения и бактерии. Являясь основными возбудителями инфекционных заболеваний че-ловека, вирусы также участвуют в процессах канцерогенеза, могут переда-ваться различными путями, в том числе через плаценту (вирус краснухи, цитомегаловирус и др.), поражая плод человека. Они могут приводить к постинфекционным осложнениям - развитию миокардитов, панкреатитов, иммунодефицитов и др. 146 Таблица 10 Классификация и некоторые свойства основных вирусов
 147 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||