Некоторых бактерий

Спору можно определить как стойкую форму существования

Процесс спорообразования начинается, когда есть недостача питательных веществ или излишне накапливаются продукты метаболизма. Сначала нуклеоид клетку приобретает компактную палочкоподобную форму в связи с снижением активности геному, Потом цитоплазматическая мембрана инвагинируется и отделяет часть цитоплазмы с геномом, формируется споруляционная перегородка, которая превращается потом в одну из оболочек споры. Цитоплазма клетки окружает протопласт споры и формируется округлая проспора с двумя мембранами. Между двумя мембранами проспоры начинается формирование муреинового слоя, которой образует толстый слой кортекса. Одновременно с кортексом на внешней мембране проспоры со стороны полюса клетки начинает образовываться экзоспориум, что потом покрывает спору. В его составе есть белки, липиды, углеводы. Дальше заканчивается формирование твердых, слабопроницаемых оболочек споры. Число и строение слоистых оболочек у различных видов бактерий отличаются. Оболочки споры обеспечивают ее стойкость к неблагоприятным факторам, в том числе и термостойкость. Зрелая спора имеет характерную для каждого вида бактерий форму, размеры, расположение в клетке. В следующем остальная клетки постепенно отмирает и лизируется и формируется зрелая спора, которая составляет приблизительно 1/10 материнской клетки. Процесс спорообразования заканчивается в течение 18—20 год.

Строение зрелой споры различных видов бактерий является однотипным. Сердцевина, или спороплазма, содержит геном, рибосомы, белки, дипиколиновую кислоту, ионы Са2+, ферменты в неактивном состоянии, липиди и другие вещества. Спороплазма окружена цитоплазматической мембраной, клеточной стенкой и толстым слоем кортекса, который занимает до 60 % объема споры и содержит муреин. К кортексу прилегает внешняя мембрана, потом наслаиваются исчислении покровы споры. Считают, что термостойкость споры обусловлена наличием специфического совокупления - дипиколиновой кислоты, которая в виде своей кальциевой соли заполняет простор между макромолекулами спороплазмы, препятствуя их взаимодействию. Термостойкость споры связывают также с малым содержанием в спорые воды (на 20-30 % меньше, чем в вегетативной клетке), повышенным содержанием липидов, наличием многочисленных оболочек и особенностями организации кортекса.

Попадая в благоприятные условия, споры прорастают и превращаются в вегетативные формы. При этом они набухают, увеличиваются, содержание воды в них вырастает, процессы обмена усиливаются, и споры начинают хорошо окрашиваться анилиновыми красителями. Из оболочки на полюсе, в центре или между полюсом и центром выступает проросток, который вытягивается в палочку. Конечно прорастание идет значительно быстрее (в течение 4 - 5 часов), чем образование спор.

Споры имеют способность сильно преломлять свет, поэтому при бактериоскопическом исследовании в неокрашенном состоянии имеют вид блестящих зерен; они плохо окрашиваются. Наличие спор у бактерий может иметь диагностическое значение, а также вызывает выбор метода стерилизации и обеззараживания хирургического инструментарию, шовного и перевязочного материалов.

Внутри цитоплазмы могут также находиться мезосомы. Мезосомы представляют собой мешкообразной формы инвагинаты цитоплазматической мембраны, содержат внутренние трубочки, которые разветвляются, пластинчатые мембранные элементы и тесно закручен в клубок трубчатый вырост длиной до 10 мкм. Размеры мезосом могут быть около 250 нм. Мезосомы могут быть: 1) периферическими, что образовались в результате инвагинации цитоплазматической мембраны и функционально ей идентичные; 2) ядерными, соединенными с нуклеоидом и, вероятно, такими что участвуют в расхождении удвоенного генома при делении клетки; 3) теми, что формируются в зоне образования поперечной перегородки у клеток, которые делятся, и которые, возможно, участвуют у распределения клетки. Считают, что мезосомы выполняют функцию дополнительных мембранных структур и являются функциональными аналогами митохондрий эукариот, обеспечивают энергией процессы жизнедеятельности бактериальной клетки.

Оболочки бактерий представлены цитоплазматической мембраной, клеточной стенкой, внешним слизевым слоем, микрокапсулой или макрокапсулой. Эти структуры участвуют в обмене веществ, через них поступают питательные вещества и выводятся продукты метаболизма, они выполняют образовывающую функцию и защищают клетку от действия вредных факторов среды, предопределяют поверхностные свойства бактериальной клетки.

Цитоплазматическая мембрана окружает цитоплазму бактериальной клетки и благодаря тургору прилегает к клеточной стене. Толщина ее 7 10 нм. Она богатая липидами, содержа всего 10 - 15 % сухого остатка клетки, цитоплазматическая мембрана содержит 70 - 90 % всех ее липидов. Цитоплазматическая мембрана складывается из двойного слоя фосфолипидов. Гидрофобные концы молекул фосфолипидов и триглицеридов направлены внутрь, а гидрофильные «головки» - наружу. В двойной слой липидив встроены белки, так называемые интегральные белки мембран. Они «плавают» в этом слое, пронзая его насквозь или, будучи погруженные в него частично. Другие белки прикреплены к поверхности мембраны, их называют периферийными белками. Цитоплазматическую мембрану представляют как очень мягкое, пластичное, почти жидкое образование; изолированные мембраны жадно стремятся образовывать замкнутые со всех сторон пузырьки, кусочки мембран сливаются краями один с другим.

Цитоплазматическая мембрана выполняет важнейшую функцию биологической мембраны бактериальной клетки. Она играет роль в обмене веществ, является осмотическим барьером клетки и контролирует поступление веществ внутрь клетки и выход наружу бактериальных продуктов. В мембране есть механизмы активного транспорта веществ и системы субстрат-специфичных ферментов пермеаз, ей свойственная энергетическая и дыхательная функции, в ней локализованные окислительные ферменты и ферменты транспорта электронов, она владеет АТФ-АЗНОЮ активностью, содержит особенные участки для присоединения хромосомы и плазмид при их репликации. Цитоплазматическая мембрана является обязательным структурным компонентом клетки, нарушение ее целостности приводит к потере жизнеспособность клетки.

Кнаружи от цитоплазматической мембраны находится клеточная стенка.

Клеточная стенка обеспечивает постоянство формы клетки, ее поверхностный заряд, анатомическую целостность, контакт с окружающей средой, защиту от неблагоприятных внешних влияний, способность к адсорбции вирусов бактерий, участие в реакциях иммунитета.

Основным компонентом клеточной стены бактерий является пептидогликан, который называют еще «муреином» ( от лати. mureus стена). Костяк пептидогликана складывается с параллельно размещенных молекул гликана (аминосахаров), которые складываются из остатков, N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовои кислоты, связанных между собой глюкозидыми связями. Гликановые молекулы связаны боковыми и поперечными пептидными мостиками, отсюда и название полимера пептидогликан. Боковые цепочки представлены тетрапептидами, поперечные пентапептидами. Состав пептидных цепочек идентичный для определенного пептидогликану, но у различных видов бактерий они различные. В составе этих цепочек выявлены лишь 4 из распространенных аминокислот: глутаминовая кислота, лизин, аланин и глицин. Кроме них в состав пептидогликана входят уникальные аминокислоты: мезодиаминопимелиновая кислота, выявленная только у прокариот, D-измеры глутаминовой кислоты и аланина.

Таким образом, по компонентам и структуре клеточной стены бактерии коренным образом отличаются от животных и растений. Оттого врачебные препараты, что специфически влияют только на бактериальные стены и на процесс их синтеза, должны быть безвредными для высших организмов.

Благодаря поперечным связям пептидогликан приобретает структуру молекулярной сети, образовывая огромного размера ригидную мешкообразную макромолекулу, окружающую бактериальную клетку. Прочность клеточной стены является высокой, она выдерживает колоссальное осмотическое давление (у кишечной палочки около 15 атм). Клеточная стена является инертной к действию химических веществ, имеет низкую восприимчивость к красителям. Ее можно выявить при специальной окраске, при электронной микроскопии, а также в темном поле зрения, после «плазмолизу». Если вместить бактериальные клетки в раствор гипертоника, то за счет выхода воды цитоплазма сожмется и вместе с цитоплазматической мембраной отделится от клеточной стены, это явление называется плазмолизом. В результате плазмолизу клетки погибают. Это используется для консервирования пищевых продуктов посредством концентрируемых растворов поваренной соли или сахара. Однако некоторые бактерии являются стойкими к плазмолизу, например, Staphylococcus aureus, через то он часто является виновником пищевых отравлений.

Поскольку состав и строение клеточной стены является одним из важнейших дифференциальных признаков бактерий, необходимо на этом более детально остановиться. Бактерии, которые имеют клеточную стену, в зависимости от ее структуры разделяются, как мы уже об этом говорили, на фирмикуты, или толстокожие, и грациликуты, или тонкокожие. Иначе их можно еще разделить по способности окрашиваться методом Грама, механизм которого мы рассмотрим ниже, на грампозитивные и грамнегативные.

Клеточная стенка грампозитивных бактерий имеет однородную структуру. Она значительно толще, чем у грамнегативных бактерий, ее толщина 20 - 60 нм. Основную массу стены складывает пептидогликан, на его часть приходится до 90 % сухой массы клеточной стены, он может быть представленный 5 - 40 слоями, а не 1- 2, как у грамнегативных бактерий. В отличие от грамнегативных бактерий в составе клеточной стены грампозитивных содержатся тейхоевые кислоты (греч. teichos стена) - растворимые в воде линейные полимеры из остатков глицерина или рибитола. Тейхоевые кислоты являются основными поверхностными антигенами многих грампозитивных бактерий, они выступают наружу через поры пептидогликана.

Клеточная стенка грамнегативных бактерий значительно более тонкая, ее толщина составляет 14 - 18 нм, как правило, есть один (редко - два) слой пептидогликана, который составляет не более 10 % сухой массы клеточной стенки, для пептидогликана грамнегативных бактерий характерное низкое содержание поперечных связей. В клеточной стенке отсутствуют тейхоевые кислоты, содержится много липопротеидов, фосфолипидов, липолисахаридов, больше белка.

Клеточная стенка грамнегативных бактерий имеет более сложную внутреннюю структуру, чем грампозитивных. На цитоплазматической мембране содержится однослойный муреиновый мешок, к которому впритирку прилегает внешняя мембрана, связанная с муреиновим слоем липопротеинами. Липопротеины ориентированы своими липофильными концами наружу и закрепленные в липофильном двойном слое внешней мембраны. Двойной липидный слой внешней мембраны состоит из липида А, полисахаридов и фосфолипидов. В этом слое находятся гидрофобные концы липополисахаридов, гидрофильные концы которых обращенные наружу. Полисахаридная часть липополисахаридов владеет антигенными свойствами и есть О-антигеном грамнегативных бактерий. О-антиген имеет очень большое значение в диагностике и идентификации бактерий. Липополисахарид большинство бактерий токсический, он является эндотоксином, ядовитость которого определяется липидом А внешней мембраны.

В двойной липидный слой внешней мембраны встроенные белки, которые пронзают его насквозь. Эти трансмембранные белки представляют собой заполненные водой каналы - гидрофильные поры в липофильний мембране, их называют поринами. Они пропускают через мембрану гидрофильные низкомолекулярные вещества с молекулярной массой меньше 6 000 дальтон.

Муреиновый слой, прозрачный, легко проницаемый для многих веществ. Промежуток между муреином и цитоплазматической мембраной называют периплазматическим пространством. В нем находятся белки, в том числе и деполимеразы, периферические белки цитоплазматической мембраны и так называемые связывающие белки, которые участвуют в переносе некоторых веществ в цитоплазму.

При обработке грампозитивных бактерий ферментами, которые разрушают пептидогликан (например - лизоцимом), возникают протопласты, то есть структуры, полностью лишенные клеточной стенки. Независимо от формы исходных клеток бактерий протопласт всегда приобретает сферическую форму. Это является доказательством того, что клеточная стенка определяет форму бактерий. В протопластах осуществляются основные процессы жизнедеятельности, но они неспособны ресинтезировать клеточную стенку, редко делятся. При некоторых условиях, например в 30 % желатине, в протопластах может индуцтироваться регенерация клеточной стены и они реверсируют в исходную клеточную форму. Это, однако, происходит очень редко, протопласт чаще все отмирает.

Сферопластами называют бактериальные клетки, частично лишенные клеточной стенки. Они обнаруживаются в старых культурах, а также при действии пенициллина, который нарушает синтез клеточной стенки, обработке лизоцимом грамнегативных бактерий, при которой разрушается только пептидогликановый слой, а внешняя мембрана сохраняется. Сферопласты отличаются от протопластов тем, что они могут размножаться, легко реверсируют в исходную бактериальную форму. И протопласты, и сферопласты могут существовать только в изотонических и гипертонических растворах, в гипотонических растворах они легко разрываются.

Нарушение синтеза клеточной стенки лежит в основе L-трансформации бактерий, которая будет рассмотрена позже.

Снаружи клеточной стенки все бактерии окружены слизистым слоем, который защищает клетки от высыхания. Слизистый слой бывает различной толщины и конфигурации, не имеет четких границ. Посредством фибрилярных полисахаридных структур слизи осуществляется связь между соседними клетками в колонии бактерий, а также прикрепление бактерий к различным субстратам. Если слизистый слой довольно толстый, прочный и оформленный, его называют капсулой.

Морфологически капсулы различают двух типов микрокапсулы (толщиной меньше за 0,2 мкм, что оказываются только при электронной микроскопии в виде слоя мукополисахаридных фибрилл) и макрокапсулы (больше за 0,2 мкм толщиной, хорошо заметные при световой микроскопии). Большинство патогенных бактерий формируют в организме человека и животных микрокапсулы, которые защищают их от факторов резистентности организма. Макрокапсулы или собственно капсулы, формируют лишь некоторых бактерий. Для ряда патогенных бактерий характерно образование капсул только в макроорганизме (стрептококки пневмонии, возбудители сибирки, чумы и тому подобное). У некоторых бактерий капсула формируется и в организме, и при росте на питательных средах. К таким бактериям относятся клебсиеллы пневмонии, озены и риносклеромы. Большинство капсул состоят из сложных полисахаридов, капсулы некоторых болезнетворных бактерий (возбудителя сибирской язвы) состоят из полисахаридов и полипептидов, которое содержит преимущественно L- и D- глутаминовые кислоты. Поскольку D-аминокислоты являются стойкими к протеазам, такая капсула лучше защищает бактерий от фагоцитоза. Химический состав и антигенные свойства вещества капсул является специфическим для бактерий, что позволяет провести идентификацию бактерий к роду, виду и серовара.

Капсула и слизистый слой не является жизненно необходимыми компонентами бактериальной клетки. Однако капсула оберегает клетку от механических повреждений, от высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения токсических веществ и бактериофагов внутрь клетки. Капсула защищает патогенных бактерий от факторов резистентности макроорганизма - фагоцитоза, комплемента и тому подобное.

Капсулу относят к внешним (сверхоболочечным) структурам клетки.

К ним относят также придатки, которые объединяются под общим названием пили. Строение и функции пилей является различным, у одной клетки могут присутствовать пили различной природы.

Микроворсинки или фимбрии ( лати. fimbriae нитка, бахрома, волокно) белковые волоски (числом от 10 до нескольких тысяч на одной клетке) толщиной 3 25 нм и длиной конечно 0,3 1 мкм, редко достигает 4 мкм и более. Они начинаются в цитоплазматической мембране и пронизывают клеточную стену, конечики их волнообразно не изгибаются. Они образованы белком пилином, молекулы которого формируют спиралеподобную нить. Их основная функция - прикрепление бактерий к субстрату, они являются фактором колонизации. Например, ворсинки кишечной палочки обеспечивают прикрепление к эпителию слизистой кишечника, гонококка - к эпителию урогенитального тракта. Кроме того, за счет фимбрий увеличивается поверхность бактериальной клетки, которая контактирует с питательной средой, через фимбрии могут поступать некоторые питательные вещества внутрь клетки.

F - пили (их еще называют половыми ворсинами, секс-пилями, донорскими ворсинами). Они обычно существуют в небольшом количестве (1 - 2 на клетку), имеют толщину 8 - 35 нм и длину 0,5 - 10 мкм. Эти ворсины также начинаются в цитоплазматической мембране, где идет синтез белка пилина, из которого они построены. Формируются F-пили только у активно растущей клетки в течение 4 - 5 минут, столько же времени сохраняются на ее поверхности, потом спадают. Они служат для конъюгации - с их помощью устанавливается контакт между клеткой-донором и клеткой-реципиентом и происходит передача ДНК.

Другие варианты внешних структур (типа шипов и стебельков) недостаточно изученвыученные у патогенных бактерий.

Жгутики (реснички) являются органом движения бактерий. Многие патогенные бактерии неподвижны и жгутов не имеют. Подвижные бактерии передвигаются посредством жгутиков. По количеству и размещению жгутиков бактерии разделяют на монотрихи, с одним полярно размещенным жгутиком (холерный вибрион), лофотрихи, с пучком жгутиков на одном полюсе (некоторые представители рода Pseudomonas), амфитрихи, с однимили пучком жгутиков на обоих полюсах (Spirillum minus), перитрихи, с большимколичеством (от нескольких десятков до 1000 жгутиков), располагающихся по всей поверхности клетки (энтеробактерии, протей, клостридии столбняка).

Жгутики представляют собой тонкие спиральные нити толщиной 10 - 20 нм, и длиной 3 - 20 мкм. Они состоят из белка флагеллина (лати. flagellum кнут) и построены из его субединиц с молекулярной массой 20 - 60 кД. Флагелин имеет антигенную специфичность (Н - антиген). По структуре флагеллин сходен с миозином мускульных клеток. Ультраструктура жгутиков выучена подробно. Они состоят из трех частей описанной выше спиральной нити, крюка вблизи поверхности клетки и базального тельца. Базальное тельце складывается из центрального стержня, на котором у грамнегативных бактерий находятся две пары колец. Внешняя пара колец содержится в муреиновом слое и внешней мембране, одно из колец внутренней пары находится в цитоплазматической мембране, другое на внутренней поверхности пептидогликанового слоя. Поскольку у грампозитивных бактерий внешняя пара колец отсутствует, считают, что для вращения жгутов необходима только внутренняя пара колец. Конструкция жгута выполняет функцию «флагеллинового мотора», в котором размещенное в цитоплазматической мембране кольцо внутренней пары действует как приводной диск, а второе кольцо этой пары играет роль «подшипника».

Большинство бактерий в среднем за секунду проходят расстояние, равное длине их тела. Более быстро двигаются бактерии с полярным размещением жгутов монотрихи и лофотрихи. Например, холерный вибрион при длине тела не более за 2 мкм может двигаться со скоростью больше за 100 мкм/сик.

Подвижные бактерии способны к таксису ( грец. taxis – расположение, размещение), направленному движению, которое определяется внешними стимулами. В зависимости от факторов, которые вызывают направленное движение, говорят о хемотаксис, аеротаксис, фототаксис, магнитотаксис. Способность к целенаправленному движению регулируется генетически, например, в Escherichia coli в этот процесс привлечено до 3 % геному (около 50 генов).

Подвижность бактерий имеет дифференциальное значение и исследуется при микроскопии раздавленной капли в темном поле зрения или посредством фазово-контрастной микроскопии. Есть также культуральные способы выявления подвижности.

В силу того, что толщина жгутов значительно меньше разрешающей способности светового микроскопа, их изучают или при электронной микроскопии, или посредством специальных методов окраски, что позволяют увеличить толщину жгутов (например, серебрением).

Дата добавления: 2014-01-04