1.
PREDMET I CILJ IZUČAVANJA MIKROBIOLOGIJE ISTORIJSKI RAZVOJ MIKROBIOLOGIJE Osnovi opšte mikrobiologije i njen istorijki razvoj
Mikrobiologija Mikrobiologija izučava morfologiju, građu, ekologiju i fiziologiju mikroorganizama, mikroorganizama, kao i njihove odnose prema drugim organizmima. Kako mnogi mikroorganizmi izazivaju razne bolesti, njihovo proučavanje i identifikacija imaju veoma važnu ulogu u zaštiti zdravlja ljudi, životinja, životne sredine i dr. Istorijski razvoj mikrobiologije ne može se odvojiti od pokušaja čoveka da reši pitanja koja se odnose na nastanak života, truljenja organskih materija, prirodu zaraznih bolesti i nastojanje da se unapredi ishrana. Nekada davno saznanja uzroka ovih pojava, proizilazila su iz zapažanja činjenica, a bila su u skladu sa verskim i filozofskim shvatanjima shvatanjima toga vremena. U pisanoj istoriji prve podatke koje nalazimo, a da se odnose na mikrobiologiju, bili su o epidemijama. Epidemije su nanosile veliko zlo čoveku, a stari ljudi su verovali da su one znak gneva bogova. Taj gnev su nastojali da otklone prinošenjem žrtava. Još stari Egipćani su zapazili da se neke bolesti prenose dodirom, dok su stari Jevreji tvrdili da je lepra zarazna. U XIV veku su otvoreni karantini u Veneciji i Marselju. Karantin je bio prinudni boravak u izolaciji, putnika koji su dolazili iz predela koji su bili zaraženi kugom. To njihovo otvaranje je bilo više rezultat zapažanja da se izolacijom može sprečiti širenje bolesti, dok su sveštenici i dalje tvrdili da je to mesto „verskog čistilišta“. Za vreme opsade Troje, Grci su posumnjali u božansko poreklo zaraza, a 430 god. p.n.e. Turikid je pisao da je kuga zarazna. 25.000.000 ljudi ¼ umrlo od kuge u srednjem srednjem veku. Hipokrit je odbacio gledište o božanskom poreklu bolesti. Istakao je da su za nastanak zaraza zaraza potrebna potrebna dva faktora: faktora: unutrašnji koj kojii je poveza povezann sa organi organizmo zmom m „konst „konstitu itucij cija“; a“; i spoljašnji „mijazma“ tj. vazduh modifikovan na njima nepoznat način, tako da je pokvaren vazduh postao škodljiv. Ovo shvatanje, da je pokvareni vazduh uzrok bolesti, održalo se kroz ceo srednji vek. Sporo je sazrevalo saznanje da bolesti izazivaju živi zarazni agensi. Tek u prvoj polovini XIV veka Frakastorius je ukazao da sifilis izaziva živi agens „contagijum vivum“ 1546. godine objavio je knjigu o zaraznim bolestima, u kojoj je napisao da se bolesti prenose direktnim kontaktom, posredstvom neživih prenosilaca, pa čak i kroz vazduh na rastojanju. Ove uzročnike je nazvao „ seminoria morbi “. Otkriće mikroskopa nastavljen je dugim, ali spori razvoj mikrobiologije. Prema nekim izvorima prvi mikroskop su konstruisali Zaccharias Jansen u Holandiji i Galilej u Italiji. Međutim, mikroorganizme je 1676. godine prvi put video i opisao Holanđanin Antony van Lecwenhoch. Njegove nalaze je 1678. godinme potvrdio Hooke. U nastajanju da objasni nastanak bolesti P.Boyle je 1663. godine izneo mišljenje da uzrok mogu da budu vrenje vrenje i truljenje. truljenje. Kako priroda priroda tih proceasa nije bila poznata, poznata, smatralo smatralo se da oni nastaju nastaju spontano. To je u stvari produžetak shvatanja Aristotela o spontanom nastanku ili abiogenezi sitnih životinja, crva i insekata, koje se održalo tokom celog srednjeg veka. Po tom shvatanju navedeni organizmi nastaju spontano iz prljave i trule organske materije. 1860. godine L.Pasteura je izvršio više ogleda, čime je definitivno odbačeno shatanje o spontanom nastanku mikroorganizama, je započela era mikrobiologije. U to vreme otkrivene su mnoge bakterije i gljivice kod različitih oboljenja, ali zbog nepoznavanja tehnike kultifisanja mikroorganizama, nisu bile poznate čiste kulture, a samim tim ni etiološki značaj. Robert Koch je 1876. godine otkrio čiste kulture, i njihov značaj u mikrobiološkom radu, kao i primenu bojenja preprarata. 1872. godine otkriva uzročnika tuberkuloze. Istorijski razvoj imunologije je takođe bio spor. Postoje podaci da su neki stari narodi primenjivali imunizaciju imunizaciju protiv zmijskog otrova unošenjem malih količina otrova u zareze na koži. Pre više od 20 vekova kinezi su u borbi protiv velikih boginja primenjivali metod „variolizaciju“. Oni su unosili
sasušene kraste bolesnih od boginja u kožne zareze zdravih osoba. Variolizacija je prešla put od Azije do Turske, odakle je preneta u Evropu. Često je ovakav način imunizacije bio uzrok novih epidemija. 1788. godine Jenner je počeo da izučava odnos između kravljih boginja i velikih boginja čoveka. Zapazio je da se kod muzačica koje su se inficirale kravljim boginjama pojavile lokalne promene na rukama ali one nisu obolele od boginja. Narednih 100 godina ništa značajno se nije dogodilo u razvoju imunologije. 1877. godine imunologija sa radovima Pastera dobija podstrek. Rezultati njegovih istraživanja sa vakcinama antraksa i besnila postali su čvrsti temelj za kasniji razvoj imunologije. Pored toga metodi atenuisanja (slabljenja) uzročnika pomenutih bolesti prestavljaju i prve radove na polju genetike mikroorganizama. Primena imunih seruma u kliničkoj praksi dovela je početkom ovoga veka, do novih saznanja na polju imunologije i stvaranje boljih i manje škodljivih vakcina. Otkrićem sulfonamida i antibiotika otvoreni su novi vidici mikrobiologije Mikrobiologija je nauka koja se bavi izučavanjem mikroskopskih malih organizama. Mikrobiologija se deli na nekoliko oblasti: Bakteriologija (oblast koja proučava bakterije) Virusologija (oblast koja proučava viruse) Mikrologija (oblast koja proučava gljivice) Parazitologija (oblast koja proučava parazite) Bakterije su sićušni organizmi koji se ne mogu videti golim okom, i koji se nalaze svuda oko nas, u nama, vodi, vazduhu, zemlji, životinjama i td. Bakterije mogu biti: patogene, uslovno patogene i ne patogene. Patogene: to su one bakterije čije prisustvo u organizmu izaziva bolest. Uslovno patogene: to su one bakterije koje samo pod oredjenim uslovima postaju patogene. Apatogene bakterije: one koje se nalaze svuda oko nas čovek ih normalno ima u crevima i ustima, a njihovo prisustvo ne izaziva nikakve promene. Veličina, osnovni oblici i građa bakterija •
• • •
Bakterije su sićušni mikroorganizmi koji se mogu videti samo mikroskopom. Veličina im se meri milimikronima 1μm = 10 -3 mm. Detaljnija struktura bakterija može se uočiti samo elektronskim mikroskopom, a u tom slučaju jedinica mere je nanometar 1nm = 10-3μm = 10-6mm. Za mikroorganizme je karakteristićan odnos površine tela prema zapremini. Velika površina tela je izložena spoljašnjoj sredini i uslovljava visok stepen razmene materija, kao i brže promene u okolnoj sredini. Postoje tri oblika bakterija: loptast – koke, štapićast – bacili i spiralni – vibrioni i spiruli. Koke – loptast oblik Bacili - štapičast oblik Vibrioni ili spirali – spiralni oblik 1. Koke (coccus) su mikroorganizmi loptastog oblika čije ćelije ponekad imaju oblik zrna pasulja ili vrha koplja. Prema rasporedu ćelija, odnosu ćelija posle deobe, prema još nekim biološkim osobinama delimo ih u više grupa: Mikrokoke (mikrococcus) čine loptaste ćelije raspoređene pojedinačno ili u nepravilnim gomilicama. Obično su saprofili i žive u vodi, a ima ih i u vazduhu. Stafilokoke ( staphylococce) se dele u više ravnih stvarajući nepravilne gomilice ćelija koje liče na grozdove. Neke vrste stafilokoka su patogene. Diplokoke (diplococcus) se dele u jednoj ravni i novoformirane ćelije ostaju zajedno u parovima. Streptokoke ( streptococcus) dele se u jednoj ravni i stvaraju lance loptastih ćelija u vidu brojanica različite dužine. •
•
•
•
Tetrakoke (tetracoccus) dele se u dve ravni koje su jedna prema drugoj pod pravim uglom stvarajući gomilice od po četiri ćelije. Sarcine ( sarcinae) dele se u tri ravni koje su međusobno pod pravim uglom, stvarajući paketiće od 8 – 16 i više ćelija. 2. Štapićasti oblici su cilindrični i podeljeni na bakterije i bacile. U bakterije se ubrajaju mikroorganizmi koji ne stvaraju spore, dok ih bacili stvaraju. Mogu biti zaobljenih krajeva, ili su izduženi sa oštro odsečenim krajevima. Poznato je mnogo više bakterija štapićastog oblika nego loptastog. To se objašnjava time što je kod štapićastih bakterija odnos površine i zapremine i znatno veći nego kod loptastih čime se stvara veća mogućnost za razmenu materija sa okolnom sredinom. 3. Spiralni oblici Vibrioni – njihove ćelije liče na zareze Spirale – njihovi oblici imaju više zavoja! U vidu spirale. Bakterije su polimorfne. U nekoj sredini ista vrsta bakterija ima različite oblike, što zavisi od starosti, razvoja ćelija i uslova sredine kao što su temperatura, hranljive materije, koncentracija soli, PH, metaboliti, hemijska sredstva, lekovi i odbranbene snage organizma. Građa bakterijske ćelije Bakterije su jednoćelijski organizmi, ali su njihove ćelije složene graže. Iako se bakterije razlikuju po obliku, razlike u strukturi pojedinih pojedinih ćelijskih komponenti nisu velike. Sve bakterije se sastoje od: Ćelijskog omotača Citoplazme Jedrove supstance Granula 1. Ćelijski omotač (membrana) bakterijske ćelije imaju tri omotača: citoplazmatičnu opnu (membranu), ćelijski zid, sluzavi omotač. -Ćelijski zid je čvrst omotač koji bakterijama obezbeđuje oblik, ima funkciju skeleta, ako ga poredim sa animalnim organizmima. Ćelijski zid je nosilac antigenske funkcije bakterija od čega zavisi specifičnost odbrambenih mehanizama organizama i serološke reakcije koje se koriste u identifikaciji bakterija. Građa ćelijskog zida je veoma složena i razlikuje se kod gr + i gr - bakterija. Glavnu komponentu ćelijskog zida čini peptidoglukan, supstanca nađena samo kod bakterija. Peptidoglukan je poliner sačinjen od paralelnih lanaca neizmenično ugrađenih mononera N-acetil-glukozamina (GlcNAc) i N-acetilmuramata (MurNAc) vezanih β-1-4 vezama. Ovi •
•
• • • •
lanci si povezani poprečnom mostovima od tetra peptida. Postoje mnoge varijacije amino kiselina u ovim peptidnim mostovima kod raznih vrsta bakterija. Bakterije sadrže više autolizina (hidrolaze peptidoglukana): glukozidazu-specifična za glukozidne veze između šećera u polimeru amidazu i dr. Ćelijski zidovi gr + i gr - bakterija razlikuju se po hemijskom sastavu i strukturi. Kod gr + bakterija ćelijski zid predstavlja relativno debelu i gustu strukturu prečnika 15-80 nm. Ta gusta supstanca se sastoji od peptidoglukana. Struktura ćelijskog zida gr - bakterija je složenija. Peptidoglukan čini jedan tanak sloj preko koga je čvrsto prionula spoljašnja membrana. Ona se sastoji iz nekoliko slojeva. Osnovnu građu čine lipopobiaharidi. Funkcija ćelijskog zida je višestruka, obezbeđuje oblik bakterijama i učestvuje u razmeni materija sa spoljašnjom sredinom. Sferoplast i protoplast. Kada se na bakterije deluje sredstvima koja razlažu ćelijski zid (lisozum) ili sprečavaju njegovu biosintezu (pencilin, vakcina) gr + bakterije gube ćelijski zid i prelaze u oblik protoplasta. To su nepravilni oblici citoplazmatičnih telašaca koji su zadržali osnovne funkcije bakterijske ćelije uključujući i deobu. Uklanjanjem ovih uticaja mikroorganizmi dobijaju svoj oblik. Kod gr - bakterija ovi oblici zadržavaju veći deo spoljašnje membrane i nazivaju se sveroplastima. I jedne i druge često nazivaju L-oblicima.
Citoplazmatična opna (membrana) je tanka opna koja se nalazi ispod ćelijskog zida, a zatvara citoplazmu. Sastoji se od proteina (60-70%), lipida (20-30%) i male količine ugljenih hidrata. Citroplazmatična opna ima više funkcija: 1. Prenosi elektrone i učestvuje u fosforilaciji 2. Sintetiše lipide 3. Sintetiše komponente ćelijskog zida 4. Učestvuje u replikaciji DNK itd. Periplazmatični prostor se nalazi između spoljašnje i citoplazmatične menbrane. U tom prostoru se nalaze mnogi enzimi. Bakterije luče mnoge enzime i toksine u spoljašnju sredinu. Mezozomi – imaginacije citoplazmatične opne. Značajni su kod deobe ćelija i za replikaciju DNK. Kapsula je omotač koji stvaraju neki mikroorganizmi pod uticajem izvesnih faktora sredine. Tada se kod tih mikroorganizama po površini skuplja sluzava materija, koja se ako je rastresita naziva sluzavi omotač, a ako je gusta i dovoljno čvrsta kapsula. Kapsularna supstanca pokazuje slab afinitet prema bojama i nema određenu strukturu. Kapsula nije deo ćelijskog zida jer uklanjanje kapsule enzimima ne utiče znatnije na vitalnost bakterija, mada kod patogenih bakterija smanjuje infektivnost. Patogenim mikroorganizmima kapsula služi kao zaštita od fagocitoze, a inače ona i sluzavi sloj štite bakteriju od sušenja. Flagele (ulje) su organele kojima se bakterije kreću. Flagele su dugačke 3 - 12μm, končaste strukture. Prečnik im je samo 12 – 25 nm, tako da se mikroskopom mogu videti tek posle primene posebnih metoda bojenja. Razlikuje se nekoliko tipova rasporeda flagela: - peritrihe - flagele su raspoređene po celom telu bakterija - monotrihe – imaju jednu flagelu na jednom od polova - lofotrihe – imaju snopić flagela na jednom polu - amfitrihe – imaju snopić ili pojedinačne flagele na oba pola Bakterije se kreću pod uticajem određenih stimulusa obično hemijske prirode što se naziva hemofaksija. Smatra se da bakterije imaju određene hemoreceptore kojima primaju ove stimuluse. Pili (fimbrije) su končasti izraštaji po površini mnogih gr - bakterija, koji ne služe za kretanje. Kraći su i tanji od flagela. Pili imaju različite funkcije i po tome se razlikuju: - somatični pili - omogućavaju bakterijama da prionu za specifične površine i deluju kao faktor infektivnosti. - konjugacione pile – od njih zavisi proces konjugacije među bakterijama. 2. Citoplazma. To je koloidna mešavina vode, proteina, ugljenih hidrata, lipida i mineralnih materija. Citoplazma sadrži ribozome, inkluzije, vakuole i dr. Sve ove materije služe kao rezervoar hranljivih materija. Citoplazna sadrži veliku koncentraciju RNK.
3. Jedrova telašca (nukleoid) su strukture izgrađene od DNK. Nalaze se obično u centralnom delu. Oni su nosioci genetskog potencijala bakterije i služe za deobu. Spore – to su sitna, sverična ili ovalna telašca, koja se stvaraju u ćelijama nekih vrsta bakterija, uglavnom gr + štapića, nekih vrsta koka i dr. Spore su vrlo otporni oblici bakterija i zahvaljujući njima bakterije prežive i u nepovoljnim uslovima u kojima se nađu, ali one se ne razmožavaju sporama. Spore nemaju metaboličkih aktivnosti i znatno su otpornije od vegetativnih oblika istih prema toploti i dr. Nepovoljnim uticajima (sušenje, zračenje, hemijska sredstva). Značajne su jer se sporama prenose neke bolesti, a stvaraju problema i u stvaranju sterilnog materijala). Spora teško prima boju. Sporangija – je ostatak bakterijskog tela u kome nastaje spora. Sporulacija – je proces stvaranja spora. Spore sadrže znatno manje vode. • •
Klijanje spore – je prelazak spore u vegetativni oblik čim se nađe u povoljnim uslovima. Za klijanje spora su potrebna voda i agensi klijanja. Sporangije imaju različite oblike što zavisi od odnosa spore i ostatka bakterijskog tela. •
Bactridium – spora je postavljena centralno i istog je prečnika kao ostatak bakterijskog tela Clostridium – vreteno – spora je postavljena centralno ili bliže jednom kraju, a prečnik joj je veći od prečnika bakterijskog tela Plectridium – spora se nalazi sasvim na kraju bakterijskog tela i većeg je prečnika, dobija se slika mafice za doboš. •
•
Razmnožavanje bakterija Najveći broj bakterija deli se na dvoje prostom deobom (cepanjem). To je aseksualan proces u kome nastaje potomstvo od ćelija identičnih roditeljskim. Proces deobe bi se mogao odvijati neograničeno ukoliko bi za to bili obezbeđeni svi potrebni uslovi. Podeli bakterijske ćelije predhodi podela jedrove supstance na dva ekvivalenta koji će ući u sastav nove ćelije. Istovremeno se sintetišu i akumulišu nove ćelijske komponente: ćelijski zid i dr. omotači, unutrašnje ćelijske komponente, a onda se ćelija izdužuje. Na sredini izdužene ćelije citoplazmatična opna urasta prema centralnoj osovini kao pregrada sastavljena od dva sloja. Kasnije se između ova dva sloja sintetiše zid.Prilikom deobe ćelije veliki značaj imaju mezozomi koji vode poreklo od citoplazmatične opne, a povezane su sa jedrovom supstancom. Smatra se da mezozomi imaju impulse za početak stvaranja pregrada i replikaciju DNK. Ponekad, pod uticajem raznih spoljašnih faktora (UV zraci, antibiotici i dr.) bakterije rastu, izdužuju se ali se ne dele iako se u ćelijama odvija deoba DNK. Kao posledica ovoga pojavljuju se dugački vlaknasti oblici. Vreme potrebno za podelu ćelije naziva se vreme razmožavanja i različito je iako se ćelije razmožavaju u istim uslovima:
- E. coli 17 min. - Sallmonela typhy 23 min. - Staphlococcusaureus 27-30 min. Vreme razmožavanja zavisi od sastava sredine, hranljivih materijala i fizičkih faktora.
