Введение в цитологию микроорганизмов

1. Разделы дисциплины «Цитология микроорганизмов» (редакция 2017 года)

Количество часов
№
раздела
Наименование разделов
всего
аудиторная
работа
Л
ПЗ
ЛР
внеауд. работа
1
Введение в цитологию микроорганизмов
10
2
-
2
6
2
Структурно-функциональные подсистемы прокариот
8
2
-
-
6
3
Поверхностные (барьерные) структуры
52
8
6
4
34
4
Генетический аппарат бактериальной клетки
26
4
2
2
18
5
Белоксинтезирующий аппарат бактериальной клетки
32
6
2
-
24
6
Метаболический аппарат бактериальной клетки
48
6
4
6
32
7
Жизненный цикл прокариотической клетки
32
4
2
2
24
8
Теория симбиогенеза и ее основные доказательства
8
2
-
-
6
Итого:
216
34
16
16
150
Всего:
216
34
16
16
150

2. Строение клетки микроорганизмов

Цитология микроорганизмов

3. Микроорганизмы

Это группа живых организмов, которые слишком
малы для того, чтобы быть видимыми
невооружённым глазом (их характерный размер —
менее 0,1 мм).
В состав микроорганизмов входят:
прокариоты: бактерии, археи
эукариоты: некоторые грибы, протисты,

4. Клеточная теория

Клетка - это элементарная
самовоспроизводящаяся единица
структуры и функции абсолютно всех
живых существ
Клеточная теория сформулирована в середине
XIX века Матиассом Шлейденом и Теодором
Шванном на основе многих исследований о
клетке (1838) и позже дополнена положением о
возникновении клеток (1858)

5. Основные положения клеточной теории

1. Клетка - единица строения, жизнедеятельности, роста и развития живых
организмов, вне клетки жизни нет;
2. Клетка - единая система, состоящая из множества закономерно связанных
друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное
образование;
3. Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу, строению и
функциям;
4. Новые клетки образуются только в результате деления исходных клеток;
5. Клетки многоклеточных организмов образуют ткани, из тканей органы.
Жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его
клеток;
6. Клетки многоклеточных организмов имеют полный набор генов, но
отличаются друг от друга тем, что у них работают различные группы генов,
следствием чего является морфологическое и функциональное разнообразие
клеток - дифференцировка.
Примечание:
клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не гомологичны;
в основе деления лежит копирование наследственной информации;
клетки многоклеточных тотипотентны

6. Отступление от положений клеточной теории

Клеточная структура не единственная форма существования жизни
(вирусы)
Однако обмен веществ, способность к размножению и т.п. проявляется
только внутри клеток-хозяев, вне клеток вирус представляет собой сложное
химическое вещество
Несоответствие по уровню организации клеток прокариот и эукариот
Эукариотическая клетка – система более высокого уровня организации и не
может быть абсолютно гомологична прокариотической клетке. Гомология
сводится к наличию у все элементарной мембраны, рибосом и хромосом
Многие сложноустроенные протисты следует рассматривать как
надклеточные структуры, а гаметы – это особое гаплоидное поколение
клеток

7. Таксономические группы в систематике

Таксон – группа организмов, обладающих заданной
степенью однородности
Основные ранги:
Царство (Regnum)
Отдел (Phylum)
Класс (Classis)
Порядок (Ordo)
Семейство (Familia)
Род (Genus)
Вид (Species)
Анализ нуклеотидной
последовательности
16S-18S рРНК

8. Филогенетическое дерево, построенное на основе анализа нуклеотидных последовательностей генов 16S-18S рРНК

9. Цитологические различия между археями, бактериями и эукариотами

Признаки
Archaea
Bacteria
Eukarya
Типичные размеры
0,5-4 мкм
0,5-4 мкм
>5 мкм
Липиды
цитоплазматической
мембраны
Ди- и тетраэфиры
глицерина и
длинноцепочечных
спиртов
Фосфолипиды
Фосфолипиды и
стеролы
Основные поверхностные
структуры клеточной
стенки
Протеин,
псевдомуреин
Муреин,
липополисахарид
Целлюлоза, хитин
Организация генома
Кольцевая хромосома
Кольцевая
хромосома
Ядро с
несколькими
линейными
хромосомами
Гистоны
Есть
Нет
Есть
Интроны в составе генов
Есть
Нет
Есть
Рибосомы в цитоплазме
>70S
70S
80S
Компартментализация
цитоплазмы посредством
внутренних мембран
Нет
Нет
Есть
РНК-полимераза
Сложная
Простая
Сложная

10. Цитологические признаки, дифференцирующие про- и эукариотические клетки

Цитологические признаки, дифференцирующие прои эукариотические клетки
Признаки
Прокариоты
Эукариоты
-
+
обычно 1
обычно >1
Хромосомы кольцевые
+
-
Хромосомы линейные
-
+
70S
80S
Морфологически оформленное ядро, отделенное от
цитоплазмы ядерной мембраной
Число хромосом
Константа седиментации рибосом
Константы седиментации рибосомных РНК
16S, 23S, 5S
18S, 28S,
5,85S, 5S
Локализация рибосом:
- рассеяны в цитоплазме
- прикреплены к эндоплазматическому ретикулуму
+
-
D
+
Аппарат Гольджи
-
D
Лизосомы
-
D
Вакуоли, окруженные мембранами
-
+
Газовые вакуоли, не окруженные мембранами
D
-
Пероксисомы
-
D
Митохондрии
-
+
Хлоропласты (у фототрофов)
-
+

11. Цитологические признаки, дифференцирующие про- и эукариотические клетки (продолжение)

Цитологические признаки, дифференцирующие прои эукариотические клетки (продолжение)
Система микротрубочек
-
D
0,01-0,02 мкм
-
0,2 мкм
+
D
-
Обычно
Редко
Редко
Обычно
В составе клеточных стенок присутствуют:
- пептидогликан
- тейхоевые кислоты
- липополисахариды
D
D
D
-
Размножение клеток происходит путем:
- простого деления
- митоза
+
-
+
Мейоз
-
D
Жгутики (если присутствуют):
- диаметр
- в поперечном сечении имеют характерное расположение
микротрубочек «9+2»
Эндоспоры
В составе мембран присутствуют:
- разветвленные и циклопропановые жирные кислоты
- полиненасыщенные жирные кислоты и стеролы

12.

Микроскопия – основной метод цитологии
Микроскопия (лат. μΙκροσ - мелкий, маленький и σκοποσ - вижу) -изучение
объектов с использованием микроскопа.
Виды микроскопов
оптический
просвечивающий
электронный
сканирующий
электронный
сканирующие
атомно- туннельный
силовой
ближнепольный

13.

Микроскопия – основной метод цитологии
Виды микроскопии:
Оптическая микроскопия
- Светопольная оптическая микроскопия
- Микроскопия при боковом освещении
- Темнопольная оптическая микроскопия
- Дисперсионно-окрашивающая микроскопия
- Фазово-контрастная микроскопия
- Дифференциально-интерференсная контрастная микроскопия
- Флуоресцентная микроскопия
- Деконволюционная микроскопия
- Рентгеновская микроскопия
Электронная микроскопия
Сканирующая микроскопия
- Сканирующая туннельная микроскопия
- Силовая микроскопия
- Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия

14.

Микроскопия – основной метод цитологии
Разрешающая способность – минимальное расстояние между
двумя точками, которые видны отдельно.
d 0,61
n sin( )
- длина волны света, используемого
для освещения объекта;
n – коэффициент преломления среды;
- угол между оптической осью
объектива и наиболее отклоняющимся
лучом, попадающим в объектив
В световом микроскопе при длине волны видимого света
400-700 нм максимальная разрешающая способность
составляем 200-350 нм

15.

Оптическая микроскопия
Источник света
Ограничения:
Линза конденсора
Предметное стекло
Линза объектива
Линза окуляра
-Позволяет рассмотреть только
темные или хорошо отражающие
объекты
-Предел разрешающей
способности равен 0,2 мкм
- Четкое изображение может быть
получено лишь в фокусной зоне

16.

Светопольная оптическая микроскопия
Современный микроскоп
Окрашенные клетки
в светлом поле

17.

Использование иммерсии в оптической микроскопии
В 1878 г. создан серийный иммерсионный объектив
Иммерсионная жидкость
Показатель преломления
Кедровое масло
1,1510
100% глицерин
1,4739
Физиологический раствор
1,3346
Вода дистиллированная
1,3329
n3
n1
n2
Показатель преломления стекла 1,52
Влияние иммерсионной среды на числовую
апертуру объектива.
2α = угол поля зрения объектива (числовая
апертура = n2·y sinα)
1 — достигнут предельный угол полного
отражения (= arcsin (n2/n1 ^ 41°); косое световое
отверстие;
2 — полное отражение

18.

Темнопольная оптическая микроскопия
Линза объектива
Рассеянный свет
Блокирование
прямого света
Часть света рассеивается
образцом
Линза конденсора
Образец
Темнопольная пластинка
Источник света

19.

Темнопольная оптическая микроскопия
Лептоспира
Эритроциты крови

20.

Фазово-контрастная оптическая микроскопия
1 – Диафрагма конденсора
2 – Предметное стекло
3 – Фазовая пластинка
4 – Основное изображение
S - волна
Объектив
Измененная
волна
S+D
Конденсор
D - волна

21.

Фазово-контрастная оптическая микроскопия
Клетка при фазово-контрастном
микроскопировании
Клетка при обычном (слева) и
фазово-контрастном (справа)
микроскопировании

22.

Поляризационная оптическая микроскопия
Окуляр
Линза объектива
Поляризационный
фильтр
Призма Волластона
Линза конденсора
Фильтр Волластона
Источник света
Образец
Поляризационный
фильтр

23.

Поляризационная оптическая микроскопия
Ориентация призмы
Ориентация призмы
Ориентация призмы
Построение изображения при различной ориентации призмы Волластона
Поляризационная картинка клеток
Sacharomyces cerevisiae

24.

Флуоресцентная оптическая микроскопия
Детектор
Эмиссионный
фильтр
Дихроматное
зеркало
Объектив
Отрезающий
фильтр
Образец

25.

Люминесцентный оптический микроскоп

26.

Люминесцентная оптическая микроскопия
Флуоресцентная картинка клеток
Sacharomyces cerevisiae
Препарат риккетсий
Изучение объекта с использованием
различных фильтров и итоговая
комбинация изображений

27.

Конфокальный лазерный микроскоп

28.

Оптическая система ЛСКМ
Б
А
А – сканирующая головка и системный блок со встроенным лазерным модулем: 1 – лазеры, 2 –
система зеркал, 3 – АОПФ, 4 –светоделительное устройство, 5 – система зеркал-сканеров, 6 –
объектив, 7 – детектор проходящего света, 8 – конфокальная диафрагма, 9 – призма, 10 – щель
(шторки), 11 – коллиматор, 12 – ФЭУ.
Б – спектральный принцип выделения измеряемого сигнала.

29.

Принцип работы ЛСКМ
Фотоэлектронный
умножитель
Источник лазерного
излучения
Лучи
флуоресценции в
фокусе
Конфокальная
диафрагма
Лучи флуоресценции
не фокусе
Дихроматное зеркало
Объектив
Возбуждающие лучи
Уровни фокусировки

30.

Сравнение изображений, полученных флуоресцентной
микроскопией (верхний ряд) и лазерной конфокальной
микроскопией

31.

Получении серии изображений
с помощью ЛКСМ с шагом 5 мкм

32.

Предпосылки создания электронного микроскопа
1897 г. - Открытие электрона как частицы Дж. Дж. Томсоном
Электрон (от греч. «ήλεκτρον» - янтарь) - стабильная элементарная
частица, одна из основных структурных единиц вещества.
Гипотеза волновой природы электрона, выдвинутая в 1924 году Луи
де Бройлем и экспериментально подтвержденная в 1927 году К.
Дэвиссоном и Л. Джермером в США и Дж. Томсоном в Англии.
В 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающий
электронный микроскоп, а в 1932 году М. Кнолль и Э. Руска построили
первый просвечивающий микроскоп

33.

Просвечивающая электронная микроскопия

34.

Микрофотографии окрашенных микроорганизмов
А – Salmonella typhimurium окрашенная 0,5% молибдатом аммония
(треугольниками указаны пили, стрелкой укзан жгутик).
Шкала 250 нм
Б – Бактериофаг (треугольниками указаны хвостовые нити, черной стрелкой
указан головки фагов содержащие ДНК, белой стрелкой указаны пустые головки).
Шкала 50 нм

35.

Сканирующая электронная микроскопия
анод
фокусирующие
линзы
экран
образец
Сканирующий электронный
микроскоп
монитор

36.

Фотография, полученная с помощью сканирующей
электронной микроскопии
Metarhizium anisopliae и Agrobacterium
tumefaciens

37.

Атомно-силовая микроскопия
Система
детекции и
коррекции
Фотодиод
Лазер
Образец
Кантилевер и
наконечник

38.

Изображение Myxococcus xanthus, полученное с помощью
атомно-силовой микроскопии

39.

Пьезоэлектронная
трубка с
электродами
Сканирующая туннельная микроскопия
Модуль
управления
игла
образец
ток
Модуль обработки и
вывода изображения

40.

Сканирующая туннельная микроскопия
Клетка
Dunaella-Solina