Általános Mikrobiológia Tantárgyfelelős: Dr. Lenkey Béla Oktató: Dr. Lenkey Béla Tanszék: Mikrobiológiai és Biotechnológiai Tanszék Megkövetelt előzmény: A biológia kémiai alapjai, Növényszervezettan, Állatanatómia Képzés: Biológus, biológiatanár Periódus: 1 Óraszám: 2+0+0 Kredit: 3 Számonkérés: Kollokvium A hallgatók általános mikrobiológiai alapismereteket sajátítanak el, amely a későbbi mikrobiális ökológiai, ipari mikrobiológiai és orvosi mikrobiológiai kollégiumok alapjául szolgálnak. Fokozottan szerepet kap a kurzusban a Mikrobiológia történeti fejlődésének az áttekintése, valamint a mikrobiális élettani ismertek elsajátítása. Emellett hangsúlyt fektetünk a legkorszerűbb taxonómiai ismeretek átadására is, a bakteriológiai rendszerezés alapjának a The Second Edition of Bergey's Manual of Systematic Bacteriology című szakkönyvet fogadjuk el. A tananyag kialakításában kiegyensúlyozottságra törekedtünk annak érdekében, hogy a kurzus a későbbi sokoldalú specializációs igényeknek egyidejűleg meg tudjon felelni. Az érintett főbb témakörök: A Mikrobiológia történeti áttekintése, alapfogalmai, a mikroorganizmusok általános jellemzése. A Bacteria, Archaea és Eukarya domének mikróbái - általános és összehasonlító sejttani és élettani bemutatás. A mikroorganizmusok metabolizmusa, a mikróbákra jellemző biokémiai folyamatok. Részletes bakteriológia: az Archaea és Bacteria (Deinococcus - Thermus, Chloroflexi, Chlorobi, Cyanobacteria, Chlamydiae, Spirochaetes, Spirochaetes, Proteobacteria, Firmicutes és Actinobacteria törzsek) doménbeli legfontosabb csoportok - a legjellegzetesebb nemzetségek és fajok bemutatása. A legismertebb humán és növényi vírusok valamint bakteriofágok. Humán patogén prionok és protozoonok. 1. Előadás A hallgatók számára általános áttekintés nyújtása a Mikrobiológia történetéről, tárgyáról, alapfogalmairól. A mikroorganizmusok szerepe a földi élet kialakulásában, a mikroorganizmusok hatása az emberiség fejlődésére. A mikrovilág felfedezése, Antony van Leeuwenhoek, Luis Pasteur és Robert Koch munkássága. Az alkalmazott és orvosi mikrobiológia kezdetei, a patogenitás fogalma és négy posztulátuma. A virulencia fogalma, járványtani alapismeretek (epidémia, endémia, pandémia). A talajmikrobiológia és az immunológia kezdetei, az első növényi, állati vírusok és bakteriofágok felfedezése. A mikroorganizmusok általános jellemzése, mérete, kémiai összetétele, szaporodása. A szaporodás nyomon követésére használt módszerek, ezek előnyei, hátrányai. A generációs idő. A mikroorganizmusok hőmérséklet-, ph-, oxigén-, nedvesség-, nyomásigénye és -érzékenysége. A mikróbák táplálkozása, a szaporodás szén-, energia- és elektron-igényének a kielégítési módjai, lehetőségei. A mikroorganizmusok fő
táplálkozási típusai: fotolitotróf autotrófok, fotolitotróf heterotrófok, kemolitotróf autotrófok és kemoorganotróf heterotrófok. Mixotróf táplálkozás. Változások a mikróbák táplálkozásában egy fajon belül: prototrófok és auxotrófok. A mikrobiológiában használatos tápközegek: minimál és komplex tápközegek. A laboratóriumban használt legfontosabb szén- és nitrogén-források. Nyomelemek és növekedési faktorok biztosítása. 2. Előadás Bacteria. A prokarióta sejtek mérete, morfológiája. A baktérium sejtalkotók bemutatása: sejtmembrán, belső membránrendszerek, citoplazma mátrix, riboszómák, a riboszómák működésére ható antibiotikumok közül néhány bemutatása. Zárványok (glikogén, poli-βhidroxibutirát, polifoszfát, kén), a nukleoid, plazmidok (Escherichia coli F faktor). Sejtfal - különbségek a Gram-pozitív és Gram-negatív festődésű baktériumok között. A β- laktámok hatásmechanizmusának a rövid ismertetése. A baktériumok tokanyaga, függelékei. H, K és O antigének definíciója. A baktériumok mozgása flagellumokkal, a flagellumok elhelyezkedési típusai, a flagellumok mozgató-szerkezete Gram-pozitív és Gram-negatív festődésű baktériumokban. Attraktánsok és repellensek hatása a baktériumok mozgására. A Spirochaeta baktériumok mozgása. A baktériumok endospórái. A spórák elhelyezkedése, környezeti stressz-hatásokkal szembeni kivételes ellenálló-képessége. Az endospóra képződési folyamat lépései, szabályozása. Az endospórák csírázása. 3. Előadás Archaea. Az ősbaktériumok sejtmembránja és sejtfala. A gyakori extremofilitás biokémiai-élettani háttere. Az ősbaktériumok DNS-ének szerveződése, riboszómái. A Bacteria és Archaea domének sejttani és élettani összehasonlítása. Eukarya. Az eukarióta mikroorganizmusokra vonatkozó sejttani ismeretek rövid összefoglalása, kiszélesítése. A citoplazma mátrix, mikrofilamentumok és mikrotubulusok. Az eukarióta ciliumok és flagellumok működése. Az eukarióta riboszómák. Endoplazmatikus retikulum, Golgi-apparátus, lizoszómák és vakuólumok. A mitokondrium, kloroplasztisz és az eukarióta ostor kialakulására vonatkozó, un. endoszimbionta hipotézisek. A sejtmag és sejtosztódás. A kromoszóma szeparációs mechanizmusok evolúciója: baktériumok - páncélos ostorosok - Hipermastigida rend - állatok. A gombák sejtosztódásának a sajátosságai. Haploid és diploid mikroorganizmusok. A mikrobiális taxonómia alapjai. 4. Előadás A mikroorganizmusok metabolizmusa - alapismeretek, az eddig megszerzett biokémiai ismeretek kiszélesítése. Mikrobiális transzportrendszerek: passzív, elősegített és aktív transzport, csoport-transzlokáció. A vas mobilizálásának módjai és felvétele. Heterotróf mikroorganizmusok fő lebontási útvonalai. A glükóz lebontása az Embden-Meyerhof, a pentóz-foszfát és az Entner-Doudoroff útvonalakon. Citrát-ciklus és elektron-transzport rendszer a mikroorganizmusokban. A fermentáció élettani jelentősége és néhány alaptípus, így a tejsavas, az etanolos, a propionsavas és a 2,3-butándiolos rövid ismertetése. A Clostridiumok fermentációs termékei. A H 2 -emisszió termodinamikája és módjai.
Elektrontranszport anaerob körülmények között. A nitrát, a nitrit, a szulfát, az elemi kén, a CO 2, a fumarát, a Fe 3+ -ionok valamint oxidált arzén- és szelén vegyületek, mint terminális elektron-akceptorok. A denitrifikáció, a disszimilációs szulfát redukció és a metanogenezis biokémiai háttere és jelentősége (ökológiai, gazdaság) - rövid áttekintés. A szulfát-redukáló baktériumok által kiváltott korrózió. Ecetsav képződése a karbonát redukciója (Clostridium, Acetobacterium) és az etanol oxidációja (Acetobacter, Gluconobacter) révén. 5. Előadás Aerob kemolitotrófok által felhasznált szervetlen elektrondonorok: ammónia, nitrit, H 2 S, elemi kén, Fe 2+, H 2, CO, CH 4. Energia-konzerválás, ATP-termelés ezekben a folyamatokban. A nitrifikáló baktériumok által kiváltott korrózió. A bányaművelésben felhasznált kén- és fémoxidáló baktériumok gazdasági jelentősége. Az autotróf CO 2 fixálás módjai: reduktív acetil-coa útvonal, reduktív citrát-ciklus, Clavin-Bassham-ciklus. Az anoxigenikus (bíbor és zöld kénbaktériumok) és oxigenikus (cianobaktériumok) fotoszintézis biokémiája. Fényenergiával működő protonpumpa a Halobacterium fajokban. A molekuláris nitrogén megkötése Rhizobium fajokban és cianobaktériumokban. Az elemek (C, N, S) körforgása a természetben. A Hg feldúsulása a táplálékláncban és ennek veszélyei a Minamata-öbölben (Japán) megfigyeltek alapján. 6. Előadás A mikrobiális taxonómia alapjai. Történeti áttekintés: Carolus Linnaeus, Ernst Haeckel, Whittaker és Margulis (1982), Cavalier-Smith (1983). A mikróbák filogenetikai rendszere - Carl Woese (1977). A mikroorganizmusok evolúciója és diverzitása. Monotetikus és politetikus osztályozás, fenetikus taxonómia (numerikus taxonómia) és filogenetikai rendszerezés a mikrobiológiában. Morfológiai, biológiai és filogenetikai fajkoncepciók. A mikroorganizmusok nevezéktana. A baktériumok rendszerének az áttekintése a The Second Edition of Bergey's Manual of Systematic Bacteriology alapján. Domén Archaea. Metanogén (Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina), szulfát-redukáló (Archaeoglobus), extrém halofil (Halobacterium), sejtfal nélküli (Thermoplasma) és extrém termofil kén-metabolizáló (Desulfurococcus, Pyrodictium, Sulfolobus, Thermococcus, Thermoproteus) ősbaktériumok. 7. Előadás Deinococcusok és Nem-proteobaktérium Gram-negatív prokarióták bemutatása. Phyla: Deinococcus - Thermus, Chloroflexi (C. aurantiacus), Chlorobi (C. limicola), Cyanobacteria {Chroococcales (Gloeobacter, Gloeocapsa, Gloeoteche, Synechococcus), Pleurocapsales (Cyanocystis), Oscillatoriales (Lyngbya, Oscillatoria, Spirulina), Nostocales (Anabaena, Cylindrospermum, Nostoc, Calotrix), Stigonemateles (Fischerella), Chlamydiae (C. trachomatis, C. psittaci, C. pneumoniae), Spirochaetes (Treponema pallidum, Borrelia burgdorferi) és Bacteroidetes (Bacteroides, Flexibacter, Cytophaga, Sporocytophaga) részletes bemutatása. A zöld kén és nem-kén baktériumok kloroszómái. A cianobaktériumok tilakoid membrán-rendszere, fikobiliszómái, CO 2 - fixálása, N 2 -fixálása (heterociszták). A szifilisz, Lyme-kór, trachoma, papagájkór
patogenezise. A csúszva mozgó baktériumok mozgására vonatkozó megfigyelések, hipotézisek. A kérődzők bendőjében zajló anaerob cellulóz-lebontási folyamatok. 8-9. Előadások Phylum Proteobacteria. Osztály: α-proteobacteria; a kiválasztott és tárgyalásra kerülő genusok, fajok és ezek jelentősége: Agrobacterium (A. tumefaciens - a tumoros sejtburjánzás patomechanizmusa, a Ti plazmid felhasználása a növénybiotechnológiában), Caulobacter és Hyphomicrobium (hifaszerű celluláris függelékkel rendelkeznek - a bakteriális ostormozgás molekuláris hátterének a felderítése), Nitrobacter (nitritet oxidáló nitrifikálók), Rhizobium (a pillangósvirágúak gyökérgümőszimbiontái - a növény-baktérium szimbiózis kialakulása), Rhodospirillum (bíbor nemkén baktériumok - anoxigenikus fotoszintetizálók), Rickettsia (R. prowazekii - a kiütéses tífusz patogenezise). Osztály: β-proteobacteria; a kiválasztott és tárgyalásra kerülő rendek, genusok, fajok és ezek jelentősége: Neisseriales (N. gonorrhoeae, N. meningitidis - a gonorrhea és a járványos agyhártyagyulladás kórokozói), Burkholderiales (Bordetella pertussis - a szamárköhögés patogenezise), Nitrosomonadales (Nitrosomonas, Nitrosospira - ammónia-oxidáló nitrifikáló baktériumok - a nitrifikáció jelentősége), Hydrogenophilales (Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus ferrooxidans, Thiospira - szintelen kén-oxidáló baktériumok). Osztály: γ-proteobacteria; a kiválasztott és tárgyalásra kerülő rendek, genusok, fajok és ezek jelentősége: bíbor kénbaktériumok (Chromatium, Thiospirillum, Thiocapsa - az anoxigenikus fotoszintézis ökológiai jelentősége), Triotrichales (Thiotrix, Leucothrix, Beggiatoa - színtelen, kemoorganotróf kénoxidálók), Methylococcales (metán-oxidálók), Pseudomonadales (Pseudomonas aeruginosa, P. fluorescens, P. putida, P. syringae - széles spektrumú lebontó aktivitás), Vibrionales (Vibrio cholerae - a kolera patogenezise), Enterobacteriales (Escherichia coli, Proteus vulgaris, Salmonella typhi, Salmonella typhimurium, Shigella dysenteriae, Yersinia pestis, Klebsiella pneumoniae - humán megbetegedések patogenezise, Erwinia amylovora, Erwinia carotovora - növényi betegségek patogenezise). Osztály: δ-proteobacteria; a kiválasztott és tárgyalásra kerülő rendek, genusok, fajok és ezek jelentősége: szulfátredukáló baktériumok (Desulfovibrionales, Desulfobacteriales, Desulfomonadales - a szulfát-redukció ökológiai jelentősége), Bdellovibrionales (Bdellovibrio - baktériumparaziták, lehetséges felhasználásuk biológiai kontroll ágensként), Myxococcales (csúszva mozgó, termőtestet képző baktériumok - a Chondromyces apiculatus termőtestképzése). Osztály: ε-proteobacteria; a kiválasztott és tárgyalásra kerülő rendek, genusok, fajok és ezek jelentősége: Campylobacteraceae (Campylobacter jejuni) és Helicobacteraceae (Helicobacter pylori) - Campylobacter és Helicobacter eredetű emésztő szervrendszeri megbetegedések kialakulása. 10. Előadás Phylum: Firmicutes - kis G + C tartalmú Gram-pozitív festődésű baktériumok Osztály: Mollicutes (Mycoplasma, Ureaplasma, Spiroplasma - ezen sejtfalnélküli baktériumok morfológiai sajátosságai, metabolizmusa és az általuk okozott betegségek).
Osztály: Clostridia (a Clostridium tetani és a Clostridium botulinum exotoxinok termelése és hatásmechanizmusa; a gázgangréna Clostridiumok, a Clostridium acetobutylicum fermentációs termékei, Desulfotomaculum - endospórás szulfátredukáló). Osztály: Bacilli; a kiválasztott és tárgyalásra kerülő rendek, genusok, fajok és ezek jelentősége: Bacillales (Bacillaceae: Bacillus anthracis - az anthrax patogenezise, Bacillus subtilis - ipari enzimtermelés, Bacillus thuringiensis - entomopatogenitás, biológiai kontroll lehetőség, Paenibacillus macerans - ciklodextrin előállítás; Thermoactinomycetaceae - termofilek, jelentőségük a komposztálásban; Staphylococcaeae: Staphylococcus aureus - humán kórképek, virulencia faktorok), Lactobacillales (a Lactobacillus és a Leuconostoc nemzetségek tejsav termelésének az összehasonlítása - élelmiszeripari alkalmazások, a Streptococcus fertőzések patogenezise, a Streptococcus mutans szerepe a fogszuvasodásban). 11. Előadás Phylum: Actinobacteria - nagy G + C tartalmú G-pozitív festődésű baktériumok Rend: Actinomycetales. Alrend: Actinomycineae (genus Actinomyces - humán és állati patogének). Alrend: Micrococcineae (Micrococcus, Arthrobacter - talajlakók, pleomorfizmus). Alrend: Corynebacterineae, család: Corynebacteriaceae (Corynebacterium diphtheriae - a torokgyík patogenezise; Corynebacterium glutamicum - ipari aminosav termelés), család: Mycobacteriaceae (Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium bovis, Mycobacterium leprae - humán megbetegedések, megelőzés immunizálással; a mikobaktériumok sejtfala, külső lipidrétege), család: Nocardiaceae (lég- és szubsztrátmicéliumok megjelenése). Alrend: Micromonosporineae (Micromonospora és Actinoplanes fajok ipari jelentősége). Alrend: Propionobacterineae (jelentőség a testszag kialakulásában és a sajtgyártásban). Alrend: Streptomycineae (a Streptomyces fajok lég- és szubsztrát-micéliumai, spórázása, antibiotikum-termelése). Alrend: Streptosporangineae (Thermomonospora fajok morfológiája, szerepe a komposztálásban). Alrend:Frankineae (többrekeszes sporangiumaik, szerepük a N 2 megkötésében). Rend: Bifidobacteriales (Bifidobacterium bifidus - az emberi bélrendszer első kolonizálója). 12. Előadás A vírusok általános jellemzése, a vírust meghatározó kritériumok. A vírusok eredetére vonatkozó hipotézisek. A vírusok szerkezete, helikális, kubikális és binális vírusszimmetriák. A vírusok kémiai összetétele, nukleinsavak, fehérjék, lipidek (burkos vírusok). A vírus és a gazdasejt kölcsönhatása, a vírusszaporodás lépései. A vírusok kórokozó tulajdonsága, degeneratív és proliferatív sejtkárosító hatások, látens és perzisztens fertőzések. Az emberi és állati vírusok rendszerezése, a legfontosabb DNStartalmú és RNS-tartalmú víruscsaládok. A legismertebb, humán betegségeket okozó DNS-vírusok, így Adeno-, Hepadna-, Herpes-, Papova- és Poxvírusok bemutatása. A Herpes simplex vírus szaporodási ciklusa. A legismertebb, humán betegségeket okozó RNS-vírusok, így Arena-, Corona-, Filo-, Flavi-, Orthomyxo-, Paramyxo-, Picorna-, Retro-, Rhabdo- és Togavírusok bemutatása. Az influenzavírusok csoportja, szaporodási
ciklusa. A humán immunodeficiencia vírus (HIV) terjedése, szaporodása, az AIDS kialakulása. A bakteriális és vírusfertőzésekkel szembeni immunválasz - összehasonlítás. Immunizálás baktériumok és vírusok ellen - összefoglalás. 13. Előadás A növényi betegségeket okozó vírusok csoportosítása, a vírusok terjedése, jellemző kórképek bemutatása. A dohánymozaik vírus szaporodása, a nukleokapszid összeépülési mechanizmusa. A viroidok által kiváltott legfontosabb növényi betegségek. A baktériumok vírusai a bakteriofágok - ezek morfológiája, rendszerezése. A fágok bejutása a baktérium-sejtekbe, szaporodásának módja (virulens és temperált fágok). A T4, λ- és M13 fágok szaporodása Escherichia coli sejtekben, molekuláris biológiai alkalmazások. 14. Előadás A prionok. Az ember és az állatok szivacsos agysorvadásáért felelős kórokozók, a Creutzfeldt-Jacob betegség. Az idegszöveti nekrózis molekuláris biológiai háttere. A legfontosabb humán patogén protozoonok és az általuk kiváltott megbetegedések (Entamoeba, Giardia, Trichomonas, Trypanosoma, Toxoplasma és Plasmodium fertőzések). A Plasmodium szexuális és aszexuális szaporodása Anopheles szúnyogban és emberben.