Экология микроорганизмов. Нормальная микрофлора человека. Дисбиозы

Экология микроорганизмов. Экология (греч. оikos – дом, место обитания) микробов изучает взаимоотношения микроорганизмов друг с другом и с окружающей средой. Микроорганизмы обнаруживаются в почве, воде, воздухе, на растениях, в организмах человека и животных.

Микроорганизмы – составная часть биоценоза – совокупности животных, растений и микробов, заселяющих биотоп.

Биотоп – участок суши или водоема с однородными условиями жизни.

Микробиоценоз – сообщество микроорганизмов, обитающих на определенных участках среды.

Нормальная микрофлора организма человека. Организм человека заселен около 500 видами микроорганизмов. Это т.н. нормальная микрофлора – микробиоценоз. В норме микроорганизмы отсутствуют в легких, матке и во всех внутренних органах. Различают нормальную микрофлору различных биотопов: кожи, слизистых оболочек рта, верхних дыхательных путей и т.д. Выделяют постоянную и транзиторную микрофлору.

Постоянная микрофлора: облигатная и факультативная. Облигатная микрофлора (бифидобактерии, лактобактерии, кишечные палочки и др.) – основа микробиоценоза; факультативная микрофлора (стафилококки, стрептококки, клебсиеллы и др.) включает меньшую часть микробиоценоза.

Микрофлора кожи. На коже анаэробов в2-10раз больше, чем аэробов. Кожу колонизируют Грам(+) бактерии (пропионобактерии, коринеформные бактерии, эпидермальные стафилококки, микрококки), дрожжеподобные грибы, реже – транзиторная микрофлора

(Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes и др.). При снижении иммунитета организма возрастает количество Грам(-) бактерий. В норме на 1 см2 кожи – менее 80 000 м/о, их количество постоянно.

Микрофлора кожи. Количество микроорганизмов постоянно за счет следующих факторов: бактерицидные свойства кожи; низкий уровень рН (5,5); низкая температура кожи. Процесс самоочищения кожи усиливается на чистой коже. Усиленный рост микроорганизмов происходит при загрязнении кожи.

Микрофлора конъюнктивы. На конъюнктиве глаза колонизирует небольшое количество коринеформных бактерий и стафилококков. Скудность содержания обусловлена действием лизоцима и других бактерицидных факторов слезной жидкости.

Микрофлора верхних дыхательных путей. В носо- и ротоглотке колонизируют бактероиды, коринеформные бактерии, гемофильные палочки, лактобактерии, стафилококки, стрептококки и др. Трахея, бронхи и альвеолы в норме стерильны.

Микрофлора желудочно-кишечноготракта. Микрофлора ЖКТ наиболее разнообразна по своему качественному и количественному составу. В полости рта присутствуют многочисленные микроорганизмы: в 1 мл слюны содержится более 100 бактерий. Этому благоприятствуют: остатки пищи во рту; оптимальная температура (36,7 0С); щелочная реакция среды. Колонизируют во рту (анаэробов больше, чем аэробов в 100 раз и более) бактероиды, порфиромонады, бифидобактерии, фузобактерии, актиномицеты, лактобактерии, стафилококки, стрептококки и др. Состав микрофлоры рта регулируется механическим действием слюны и языка. Пищевод практически не содержит микроорганизмы. В желудке находятся лактобациллы, дрожжи, единичные кокки иГрам(-)бактерии. Концентрация бактерий в желудке меньшеиз-занизкого значения рН. Желудок в норме – это своеобразная стерилизационная камера (за счет соляной кислоты, пепсиногена и др.). В тонкой кишке находится105-108 м/о на 1 мл содержимого. Колонизируют бифидобактерии, клостридии, энтерококки, лактобактерии. В толстой кишке находится наибольшее количество микроорганизмов: в 1 г фекалий

– до 1012 микробных тел, около 95 % всех видов микроорганизмов – анаэробы. Здесь колонизируют:Грам(-)анаэробы: бифидобактерии, лактобациллы, эубактерии; Грам(+) спорообразующие анаэробные палочки: клостридии; энтерококки;Грам(-)анаэробные палочки: бактероиды;Грам(-)факультативно-анаэробныепалочки: кишечная палочка, цитробактер, энтеробактер, клебсиеллы, протей и др.; анаэробные Грам(+) кокки: пептострептококки, пептококки. На эпителии успешно растут спирохеты.

В результате антагонистических свойств микроорганизмов и блокирующего действия секреторного IgA поддерживается относительно постоянный состав нормальной микрофлоры.

Микрофлора мочеполовой системы. Почки, мочеточники, моче-

вой пузырь, матка, простата в норме стерильны.

Микрофлора наружных гениталий: эпидермальные стафилокок-

ки, коринеформные бактерии, зеленящие стрептококки, сапрофитные микобактерии, энтеробактерии.

Микрофлора слизистой передней уретры у обоих полов: стафи-

лококки, коринеформные бактерии, сапрофитные трепонемы, непатогенные нейссерии и др.

Микрофлора влагалища в норме: бифидобактерии, лактобактерии, бактероиды, пропионибактерии, порфиромонады и др. Преобладают анаэробы.

Значение нормальной микрофлоры организма человека:

1.Несет функции неспецифической резистентности организма;

2.Обладает антагонистическими свойствами против патогенной

игнилостной микрофлоры, конкурирует с посторонней микрофлорой за счет высокого биологического потенциала;

3.Участвует в водно-солевомобмене, регуляции газового состава кишечника, обмене белков, углеводов, жирных кислот, холестерина, нуклеиновых кислот;

4.Участвует в продукции биологически активных соединений: антибиотиков, витаминов, токсинов и др.

5.Участвует в переваривании и детоксикации экзогенных субстратов и метаболитов из печени в кишечник и последующего возврата в нее;

6.Выполняет антимутагенную функцию, разрушая канцерогенные вещества в кишечнике;

7.Оказывает влияние на формирование и поддержание иммуни-

тета;

8.Важнейшей функцией нормальной микрофлоры является ее участие в колонизационной резистентности.

Колонизационная резистентность – это совокупность защитных факторов организма и свойств нормальной микрофлоры кишечника, придающих стабильность микрофлоре и предотвращающих колонизацию слизистых оболочек патогенными микроорганизмами. При ее снижении увеличивается количество и спектр аэробных условнопатогенных микроорганизмов, что ведет к развитию эндогенных гнойно-воспалительных процессов. Для поддержания определенного уровня колонизационной резистентности используют селективную деконтаминацию.

Селективная деконтаминация – это избирательное удаление из пищеварительного тракта аэробных бактерий и грибов для повышения сопротивляемости организма к инфекционным агентам. Назначают для приема внутрь малоадсорбируемые химиопрепараты, подавляющие аэробную часть и не влияющие на анаэробы, ванкомицин, гентамицин и нистатин.

Последствия дисбаланса нормальной микрофлоры. Нормальная микрофлора может стать источником эндогенной инфекции. При снижении иммунитета могут возникать различные нарушения: бактероиды, обитающие в норме в кишечнике, могут вызывать абсцессы при травмах или хирургических операциях. Эпидермальный стафилококк может колонизировать внутривенные катетеры, вызывая нарушения кровотока. E.coli поражает мочевую систему. Гистамин, высвобождающийся при действии микробных декарбоксилаз и липополисахарид, может вызвать аллергические состояния. Нормальная микрофлора – источник лекарственной устойчивости к ан-

тибиотикам. Санитарно-показательныемикроорганизмы используют как критерий об их эпидемиологической опасности.

Дисбактериоз – состояние, развивающееся в результате утраты нормальных функций микрофлоры. Различают дисбактериоз и дисбиоз. При дисбактериозе изменяется количественный и качественный состав нормальной микрофлоры. При дисбиозе изменения происходят среди отдельных групп м/о (вирусы, грибы и др.). Дисбактериоз и дисбиоз приводят к эндогенным инфекциям. Причины нарушения динамического равновесия нормальной микрофлоры и организма человека:

влияние окружающей среды; стрессы;

широкое и бесконтрольное применение АБП, лучевой терапии и химиотерапии;

нерациональное питание;

оперативные вмешательства и т.д.

Классификация дисбиозов по этиологии: грибковый; стафило-

кокковый; протейный и др.

Классификация дисбактериозов по локализации: дисбактериоз рта; дисбактериоз кишечника; дисбактериоз влагалища и т.д. Изменения в составе и функциях нормальной микрофлоры сопровождаются различными нарушениями: развитием инфекций, диареи, гастрита, колита, язвенной болезни, аллергии и др.

Лабораторная диагностика дисбактериоза предусматривает выявление видового и количественного состава путем высева исследуемого материала на дифференциально-диагностические среды (ДДС), определение в исследуемом материале микробных метаболитов – маркеров дисбактериоза (жирных кислот, гидроксижирных кислот, жирнокислотных альдегидов, ферментов и т.д.).

Дифференциально-диагностическиесреды: Блаурокка – для би-

фидобактерий; среда МРС-2– для лактобактерий; среда Левина или Эндо – для энтеробактерий;желчно-кровянойагар – для энтерококков; кровяной агар – для стрептококков и гемофилов; мясопептонный агар с фурагином – для синегнойной палочки; среда Сабуро – для грибов.

Для восстановления нормальной микрофлоры проводят селек-

тивную деконтаминацию; для лечения назначают эубиотики (бифидумбактерин, колибактерин, лактобактерин и др.), специальные бактериофаги.

 

 

Лекция 9

ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

Особенности бактерий в генетическом аспекте

относительная простота генома (сопокупности нуклеотидов хромосом);

гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков;

различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК(IS-последовательности,транспозоны, плазмиды);

половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;

легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Этапы эволюции генетической системы:

Кодон → ген → оперон → геном вирусов и плазмид → хромосо-

ма прокариот (нуклеоид) → хромосома эукариот (ядро).

Ген – это универсальная структурная единица живой материи, которая обеспечивает единство и многообразие всех форм существования жизни, ее непрерывность и эволюцию. Ген является единственным носителем и хранителем жизни, а его продукт – белок – определяет способ и форму существования.

Фундаментальные функции гена

1.Непрерывность наследственности. Обеспечивается механизмом репликации ДНК.

2.Управление структурами и функциями организма. Осуществляется с помощью единого генетического кода из 4-хоснований. Код триплетный, кодон – функциональная единица, кодирующая аминокислоту, состоит из трех оснований.

3.Эволюция организмов. Обеспечивается благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

Геном – совокупность нуклеотидов, содержащихся в хромосоме или в наборе хромосом. Объем генома у различных микроорганизмов сильно варьирует. От объема генома зависит степень сложности структурной организации микробов.

Генотип – совокупность индивидуальных генов, состоящих из нуклеотидов ДНК.

 

Фенотип – совокупность реализованных генетических признаков микроорганизмов, т.е. индивидуальное проявление генотипа. При изменении условий существования фенотип изменяется при сохранении генотипа.

Особенности генетики бактерий:

хромосомы бактерий – нуклеоид – располагаются свободно в цитоплазме, не имеют мембран и связаны с рецепторами на ЦПМ (до4-хтыс. отдельных генов);

содержание ДНК у микроорганизмов непостоянно. У всех других живых существ содержание ДНК постоянное, удваивается перед делением;

передача информации: от родительской клетки к дочерним с помощью механизмов: коньюгации, сексдукции, трансдукции, трансформации;

помимо хромосомы имеются дополнительные генетические структуры:IS-последовательности,транспозоны, плазмиды;

уникальное свойство бактерий: регулируя содержание копий своих геномов, бактерии одновременно приспосабливают скорость своего размножения к условиям роста.

Особенности репликации бактериальной ДНК. Три типа репликации ДНК:

вегетативная: передача генетической информации от родительской клетки дочерним, контролируется хромосомными или плазмидными генами;

коньюгативная: достройка нити ДНК, комплементарной нити, передаваемой от донора к реципиенту. Конролируется только плазмидными генами;

репаративная: устранение структурных повреждений из ДНК. Контролируется хромосомными или плазмидными генами.

Фенотипическая изменчивость – это способ приспособления микроорганизмов к условиям внешней среды, обеспечивающий им возможность расти и размножаться в изменяющихся условиях. Приобретенные свойства не передаются по наследству. Морфологическая модификация – изменение формы и величины бактерий; культуральная модификация – изменение культуральных свойств бактерий при изменении состава питательной среды; биохимическая

(ферментативная) модификация – нарушение синтеза ферментов.

Генотипическая изменчивость может возникать в результате мутаций и генетических рекомбинаций.

Мутации – это передаваемые по наследству структурные изменения генов, ведущие к фенотипическим изменениям бактерий.

Классифиция мутаций по протяженности: точечные мутации: повреждения ограничиваются одной парой нуклеотидов, могут полностью ревертировать; протяженные мутации или абберации –

выпадение или изменение относительно крупных участков генома, ревертации не подлежат.

Протяженные мутации или абберации в виде:

делеции – выпадение нескольких пар нуклеотидов; дупликации – добавление пар нуклеотидов; транслокации – перемещение фрагментов хромосомы; инверсии – перестановка нуклеотидных пар.

Причины мутаций: спонтанные – возникают самопроизвольно, без воздействия извне; индуцированные – под влиянием внешнихфакторов-мутагенов.

Точечные спонтанные мутации возникают в результате возникновения ошибок при репликации ДНК. Спонтанные хромосомные абберации возникают вследствие перемещения подвижных генетических элементов.

Генетическая рекомбинация – это взаимодействие между двумя ДНК, которое приводит к образованию рекомбинантной ДНК, формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей.

Виды генетических рекомбинаций: общая рекомбинация; сайт-

специфическая рекомбинация; рекомбинация, контролируемая транспонируемыми элементами.

Общая рекомбинация происходит между гомологичными ДНК: комплементарное спаривание между1-цепочечнымиучастками, принадлежащими разным родительским ДНК. Процесс общей рекомбинации (расплетание нитей ДНК, комплементарное достраивание нитей, разрезание нитей по окончании процесса рекомбинации) контролируется генами, объединенных в REC-систему,состоящую из генов rec А, В, С.

Сайт-специфическаярекомбинация. Происходит в определен-

ных участках генома, не требует высокой степени гомологии ДНК и не зависит от генов recА, В, С.

Рекомбинации, контролируемые транспонируемыми элемента-

ми, являютсясайт-специфическими,но специфичность этих сайтов

связана с особыми нуклеотидными последовательностями и не зависит от гена recА.

Передача генетической информации у бактерий:

Трансформация – перенос генетической информации, при которомбактерия-реципиентспособна воспринимать ДНК другой клетки.

Трансдукция: неспецифическая и специфическая – перенос генетического материала отбактерии-донорабактерии-реципиентус помощью бактериофага. Неспецифическая трансдукция – случайный перенос фрагментов ДНК отбактерии-донорабактерииреципиенту. Специфическая трансдукция – это передача фагом только некоторых специфических генов, локализованных на специальных участках бактериальной хромосомы.

Коньюгация – это передача генетического материала от одной бактерии к другой при непосредственном контакте клеток.

Генетические методы исследования: полимеразная цепная реак-

ция; рестрикционный анализ; метод молекулярной гибридизации. Полимеразная цепная реакция позволяет обнаружить возбуди-

тель в исследуемом материале по наличию в нем ДНК микроба без выделения чистой культуры.

Рестрикционный анализ – используются рестриктазы, расщепляющие молекулы ДНК (разрыв фосфатных связей в определенных последовательностях нуклеотидов). В геноме м/о есть строго определенное число участков узнавания для определенной рестриктазы. Если ДНК конкретного микроба обработать соответствующей рестриктазой, то образуется строго определенное количество фрагментов ДНК фиксированного размера. Результат исследования узнают с помощью электрофореза в агарозном геле.

Метод молекулярной гибридизации позволяет выявить степень сходства различных ДНК – для идентификации м/о. Метод основан на отжиге ДНК: денатурация ДНК в щелочной среде при 90 С → понижение t до 10 С → восстановление исходной структуры ДНК. Необходимо наличие молекулярного зонда.

Плазмиды – внехромосомный генетический материал (ДНК) – просто устроены, наделяют бактерии дополнительными полезными свойствами. Лишены оболочек, а также собственных систем синтеза белка и мобилизации энергии. Имеют собственные гены, обладают специфическими наследственными признаками, способностью к размножению. По молекулярной массе плазмиды значительно

Меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50-тигенов. Все известные плазмиды представляют собой кольцевидные суперспирализованные молекулы2-нитевойДНК. Размеры:1,5-200МД. Сходны с вирусами, но отличаются по некоторым признакам.

Свойства плазмид:

Саморегулируемая репликация.

Явление поверхностного исключения. Под контролем плазмид синтезируются белки клеточной стенки, исключающие проникновение родственной плазмиды.

Явление несовместимости. Суть: две родственные плазмиды не могут стабильно сосуществовать в одной клетке, одна из плазмид удаляется.

Контроль числа копий плазмиды на хромосому клетки. Плазмиды имеют собственную систему регуляции репликации ДНК.

Контроль стабильного сохранения плазмид вклетке-хозяине.

Контроль равномерного распределения дочерних плазмид в дочерние бактериальные клетки.

Основные категории плазмид:

F-плазмидывыполняют донорские функции, индуцируют деление (от fertility – плодовитость). ИнтегрированныеF-плазмиды:Hfr-плазмиды(высокой частоты рекомбинаций).

R-плазмиды(resistance) обеспечивают устойчивость к лекарственным препаратам.

Col-плазмидыосущестляют синтез колицинов – факторов конкуренции близкородственных бактерий (антогонизм).

Hly-плазмидыпроизводят синтез гемолизинов.Ent-плазмидыосуществляют синтез энтеротоксинов.Tox-плазмидывыполняют токсинообразование.

Распространение плазмид. Существует два способа распространения:

Передача плазмид от родительской клетки дочерним клеткам в процессе клеточного деления;

Перенос между клетками в популяции бактерий независимо от клеточного деления.

Медицинское значение плазмид:

Контроль различных факторов патогенности у многих видов бактерий (возбудители чумы, сибирской язвы, дизентерии и т.д.).

 

Формирование новых эпидемических клонов патогенных бактерий – носителей R -плазмид.

Контроль генетического обмена у бактерий.

Создание условий для размножения патогенных бактерий в естественных условиях, контролируя синтез факторов патогенности.

Плазмиды – уникальное средство самозащиты бактерий, т.к. они обеспечивают приобретенным и наследуемым специфическим иммунитетом против различных факторов воздействия.

Лекция 10