Формы бактерий. Морфология, ультраструктура, химический состав бактериальной клетки. Основные отличия прокариот от эукариот. Субклеточные формы бактерий; протопласты, сферопласты, L-формы бактерий.

В настоящее время установлены принципиальные различия в организации и функционировании клеток прокариот и эукариот. Прежде всего, они заключаются в отсутствии у прокариот мембран, с помощью которых органеллы микробной клетки (ядро, митохондрии, рибосомы и др.) отграничены от цитоплазмы. Система мембран у прокариот представлена только цитоплазматической мембраной, отдедяющей цитоплазму от клеточной оболочки или непосредственно от внешней среды. Вследствии этого при электронно-микроскопическом исследовании срезов клеток прокариот цитоплазма имеет вид мелкозернистой массы с включениями рибонуклеопротеиновых молекул, не организованных в ЭПС, но выполняющих рибосомальные функции.

Я дро у прокариот, которое часто называют нуклеоидом, имеет фибриальную структуру и не отграниченно от цитоплазмы ядерной мембраной. В клетках прокариот отсутствуют митохондрии, хлоропласты, пластинчатый комплекс Гольджи. Окислительно-восстановительные ферменты локализованы в производных образованиях цитоплазматической мембраны — мезосомах.

У прокариот отсутствует митоз. Они размножаются путем бинарного деления и существуют в гаплоидном состоянии, вследствии чего диплоидность эукариот, имеющая огромное значение в их эволюции, не играет никакой роли в эволюции прокариот. У прокариот отсутствует также клеточный центр. Для них нетипичны внутриклеточные перемещения цитоплазмы и амебовидное движение.

По форме клеток собственно бактерии подразделяются на шаровидные, палочковидные и извитые.

Шаровидные бактерии — кокки имеют правильную сферическую или эллипсовидную форму. Одни из них располагаются беспорядочно (микроккоки), другие парами (диплококкки), третьи — цепочками из трех и более кокков (стрептококки) или восьми (сарцины) кокков. Это связано с особенностями их деления. В том случае, если они делятся в разных плоскостях, то образуются скопления, напоминающие виноградную гроздь (стафилококки). Деление в двух взаимоперпендикулярных плоскостях приводит к образованию тетракокков, в трех — сарцины. При делении в одной плоскости дочерние клетки могут не отходить друг от друга, образуя диплококки и цепочки кокков — стрептококки. Патогенные бактерии чаще всего представлены стафилококками, стрептококками, реже микрококками.

Палочковидные бактерии, имеющие цилиндрическую форму, различаются по размерам, форме клеток и их концов, а также по расположению. Большинство из них имеет длину, превышающую поперечник. Другие представляют собой крупные палочки с утолщениями на концах либо с обрубленными или заостренными концами. Они могут беспорядочно располагаться в виде одиночных клеток, парами — диплобактерии, в виде цепочек — стрептобактерии. Патогенные виды относятся ко всем перечисленным формам палочковидных бактерий.

Извитые формы бактерий представлены изогнутыми палочками, изгибы которых имеют один (холерный вибрион) или несколько оборотов (кампилобактерии) спирали. Извитые формы — вибрионы и спириллы, а также спирохеты. Вибрионы имеют вид слегка изогнутых палочек, спириллы — извитую форму с несколькими спиральными завитками.

Ультраструктура бактериальной клетки отражает уникальность ее организации. С помощью электронно-микроскопического исследования ультратонких срезов бактерий, цитохим-их и других методов исследования можно установить структуру определенных органелл, определить их хим-ий состав и функциональную роль, которую они играют в процессе жизнедеят-ти клетки.

Структурные элементы бактериальной клетки:

 

постоянные: непостоянные:

клет.стенка капсула

цитоплазматич. мембрана жгутики

цитоплазма споры

рибосомы включения

мезосомы пили (ворсинки)

нуклеоид плазмиды

Бактериальная клетка окружена внешней оболочкой, которая состоит из капсулы и клеточной стенки. От их состава зависит способность клетки воспринимать анилиновые красители (тинкториальные свойства). Капсулы в зависимости от степени выраженности подразделяют на микро- и макрокапсулы. Первые обнаруживаются только при электронно-микроскопическом исследовании в виде микрофибрилл из мукополисахаридов, которые тесно прилегают к клеточной стенке. Макрокапсулы представляют собой выраженный слизистый слой, снаружи покрывающий клеточную стенку. Он состоит из полисахаридов и редко из полипептидов.Как правило, макрокапсулу образуют немногие виды патогенных бактерий (пневмококки и др.) при неблагоприятных условиях среды, напр. в организме животных и человека. Однако у некоторых видов (клебсиеллы пневмонии) макрокапсула обнаруживается постоянно.

Капсула несет многообразные ф-ции: защитную, предохраняя клетку от неблагоприятных условий среды обитания, также от повреждений и высыхания, защита от фагоцитоза и адгезивную, способствуя «прилипанию» к поверхности (рецепторам) клетки хозяина. У некоторых бактерий с ними связаны патогенные и антигенные свойств. Непатогенные бактерии также могут образовать макрокапсулу, выполняющую, по-видимому, только защитную ф-цию.

Капсула бактерий:

-капсульные бактерии — образуют капсулу потоянно (S.aureus, S.pyogenes, K.pneumoniae, K.rhinosaeromatis и др.)

-капсулообразующие бактерии — образуют капсулу только в организме (S.pneumoniae, B.arthracis, C.perfringens).

Капсула выяляется: электронная микроскопия, по Бурри-Гинсу.

Клеточная стенка (КС) представляет собой биогетерополимер сложного хим-го состава, кот. покрывает всю поверх-ть прокариот-ой клетки. Состав этого биогетерополи-ра не одинаков у разных бактерий.

В конце 19 в. датским ученым Грамом была предложена диффер-ная окраска, благодаря кот-ой бактперии были разделены на две группы, названные грамполож-ми и грамотриц-ми. Первые сравнительно прочно удерживают анилиновые красители и не обесцвечиваются спиртом, вследствии чего они окрашив-ся генциан- или кристалвиолетом в фиолетовый цвет. Возможно это связано с образ-ем нерастворимого в спирте комплекса генциан-виолета с йодом. Грамотриц-ые бактерии после обесцвечивания спиртом докрашиваются водным раствором фуксина в розовый цвет.

Основу клеточной стенки всех бактерий составляет пептидогликан, обеспечивающий ригидность и эластичность КС. Структура пептидогликана представлена параллельными полисахаридными (гликановыми) цепями, состоящими из чередующихся звеньев N-ацетилглюкозамина и N-ацетил мурамовой к-ты.

У грампол-ых бактерий пептидогликан связан с тейхоевыми и липотейх-ми к-тами за счет чего они имеют многослойную структуру. Тейх-ые к-ты яв-ся производными риботола или глицерина. Они пронизывают пептидогликан насквозь или нах-ся на его поверхности. Липотейх-ые к-ты имеют такое же строение, но закреплены в цитоплазматической мембране. Они также проинизывают пептидогликан или располагаются между ним и мем-ой. С пептидогликаном могут быть связаны белки, кот-ые располагаются снаружи.

Все компоненты клет.стенки грампол-ых бактерий могут синтез-ся в избытке, и в этом случае они секрет-ся в окруж-щую среду.

Уграмотриц-ых бактерий пептидогликан однослоен и покрыт наружной мем-ой с мозаичным строением. В ее сотав входит липопротеид, образующий глобулярный слой в результате ковалентной связи с пептидогликаном. Он покрыт пластинчатой мембраноподобной структурой, состоящей из фосфолипидов, липополисахарида (ЛПС) и белков. Наружная мембрана пронизана белками-поринами — своеобразными выводными каналами, кот-ые обеспечивают диффузию хим-их в-в из внешней среды в микробную клетку.

Особое значение имеет ЛПС, содержащийся в значит-ом количестве в составе КС грамотриц-ых бактерий. В структуре ЛПС имеется три звена: основное (базисное), к одному концу которого присоединен липид (второе звено), а к противоположному — повторяющиеся звенья сахаров (третье звено), составляющих детерминантную группу.

У грамотриц-ых бактерий между клет.стенкой и цитоплазматической мембраной расположено периплазматическое пространство, заполненное гидролит-ми ферментами, рибонуклеазой 1, фосфатазой, β-лактамазой и др. В периплазматическом пространстве происходит расщепление большинства пит-ых в-в, поступающих в бактериальную клетку.

У грампол-ых бактерий упомянутые фер-ты непосредственно выделяются в окруж-щую среду.

По строению клет.стенка:

-толстая — грампол-ые микроорганизмы (пневмококки, стрептококки, стафилококки, палочки, бациллы, клостридии, коринебактерии, минобактерии, бифидобактерии, актиномицеты)

-тонкая — грамотриц-е микроорганизмы (менингококки, гонококки, вейлонеллы, палочки, вибрионы, камнилобактерии, хеликобактерии, спириллы, спирохеты, риккетсии, хламидии.)

КС у бактерий выполняет многочисленные ф-ции:

-поддерживает форму клетки

-защита от воздействи мех-ких и осмотич-их воздействий внеш-ей среды

-участв-ет в регуляции роста и деления клетки

-учас-ет в транспорте метаболитов

-связь с внешней средой через каналы и поры

-определяет антигенную харак-ку бактерий

-несет на своей поверхности разнообразные рецепторы для бактериофагов, бактериоцитов и различных в-в.

КС выявляется: электр-ая микроскопия, по Граму, р-ции плазмолиза.

ЛПС обладает антигенными и токсическими св-вами, поэтому его часто назыв-ют эндотоксином.

Вместе с тем пептидогликан яв-ся «мишенью» для действия некот-ых антибиотиков, главным образом пенициллинов, и ферм-та лизоцима, хотя они облаадют разным мех-змом действия. При действии пенициллина на растущую бактериальную культуру обра-ся безоболочечные формы бактерий, лишенные клет.стенки. Их называют протопластами, сферопластами и L-формами. Первые полностью лишены клет.стенки, вторые — частично. Они приобретают сферическую форму вследствие отсутствия пептидогликана.

Бактерии, полностью или частично утратившие клет.стенку, но сохранившие спос-ть к размножению, получили название L-форм в честь института им. Д.Листера (Англия), в кот-ом они были впервые выделены. Независимо от формы исходной клетки (кокки,палочки) L-формы этих бактерий морфологически неразличимы. Они представляют собой сферические образования разных размеров. L-формы могут возникать в естеств-ых условиях в орг-зме чел-кав результате длительного лечения некот-ым антибиотиками, чаще всего пенициллином.

Различают нестабильные и стабильные L-формы бактерий. Первые способны к реверсии в исходный вид при устранении причины, вызвавшей их образование. Они восстан-ют способность синтезировать пептидогликан КС. Вторые, как правило, не способны к реверсии. L-формы разных бактерий играют существенную роль в патогенезе многих инфекционных заболеваний.

Основные св-ва L-форм бактерий:

-постоянное превращение из грампол-ых в грамотриц-е.

-изменение антигенных св-в

-снижение вирулентности

-спос-ть к длительной персистенции

-спос-ть при неполной утрате синетза КС к возврату в исходную форму.

Жгутики. На поверхности ряда бактери-ых клеток располагаются жгутики. В их состав входит белок флагелин, кот-ый по своей структуре относится к сократительным белкам типа миозина. Жгутики прикрепляются к базальному телу, состоящему из сис-мы нескольких дисков, вмонтированных в цитоплазматическую мем-ну и КС. Кол-во и расположение жгутиков у разных бактерий неодинаково. Монотрихи имеют на одном из полюсов клетки тлько один жгутик, лофотрихи — пучок жгутиков, у амфитрихов жгутики расположены на обоих полюсах клетки, а у перитрихов — по всей ее поверхности.

Активная подвижность бактерий обусловлена вращательными движениями жгутиков, подобно корабельному винту, либо пропеллеру (монотрихи, лофотрихи). Наряду с беспорядочным движением бактерии могут передвигаться направленно путем хемотаксиса, аэротаксиса, обусловленного разной конц-цией кислорода, и фототаксиса. Скорость движения бактерий связана с расположением жгутиков, составом и св-вами пит-ой среды.Жгутики обладают антигенными св-вами.

Грамположительные бактерии имеют 2 диска, грамотриц-е — 4 диска.

Жгутики выявляются: электронная микроскопия, по Лефлеру.

Пили — тонкие полые нити белковой природы длиной 0,3 — 10 мкм, толщиной 10 нм, покрывающие поверхность бактери-ых клеток. В отличии от жгутиков не выполняют локомоторную ф-цию. По своему функциональному назначению подраз-ся на несколько типов.

Пили 1 общего типа обусловливают прикрепление или адгезию бактерий к определенным клеткам орг-ма хозяина. Их кол-во велико — от нескольких сотен до нескольких тысяч на одну бактери-ую клетку. Адгезия яв-ся первоначальной стадией любого инф-го процесса.

Пили 2 типа уч-ют в конъюгации бактерий, обеспечивающей перенос части генет-го материала от донорской клетки к реципиентной. Они имеются только у бактерий-доноров в ограниченном кол-ве (1-4 на клетку).

Пили выявляются: электронная микроскопия.

Бактерии

Бактерии - это одноклеточные прокариотные микроорганизмы. Ве­личина их измеряется в микрометрах (мкм). Бактерии не отличаются разнообразием форм. Различают три основные формы: шаровидные бактерии - кокки, палочковидные и извитые. Кроме того, существуют промежуточные формы (рис. 2).

Кокки (греч. kokkos - зерно) имеют шаровидную или слегка вытя­нутую форму. Различаются между собой в зависимости от того, как они располагаются после деления. Одиночно расположенные кокки - мик­рококки, расположенные попарно - диплококки. К патогенным диплококкам относятся пневмококки, имеющие ланцетовидную форму, и бо­бовидные диплококки - менингококки и гонококки. Стрептококки де­лятся в одной плоскости и после деления не расходятся, образуя цепоч­ки (греч. streptos - цепочка). Патогенные стрептококки являются возбу­дителями гнойно-воспалительных заболеваний, ангины, рожи, скарла­тины. Тетракокки образуют сочетания из четырех кокков в результате деления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, сарцины (лат. sarcio - связывать) образуются при делении в трех взаимно перпендику­лярных плоскостях и имеют вид скоплений по 8-16 кокков. Стафило­кокки в результате беспорядочного деления образуют скопления, напо­минающие гроздь винограда (греч. staphyle - виноградная гроздь). Сре­ди них есть патогенные виды, вызывающие гнойно-воспалительные и септические заболевания.

Палочковидные бактерии (греч. bacteria - палочка), способные образовывать споры, называют бациллами в том случае, если спора не шире самой палочки, и клостридиями, если диаметр споры превышает диаметр палочки. Палочки, неспособные к спорообразованию, называют бактери­ями. Палочковидные бактерии, в отличие от кокков, разнообразны по ве­личине, форме и расположению клеток: короткие (1 -5 мкм) толстые, с зак­ругленными концами бактерии кишечной группы; тонкие, слегка изогну­тые палочки туберкулеза; располагающиеся под углом тонкие палочки дифтерии; крупные (3-8 мкм) палочки сибирской язвы с "обрубленными" концами, образующие длинные цепочки - стрептобациллы. К извитым формам бактерий относятся вибрионы, имеющие слегка изогнутую форму в виде запятой (холерный вибрион) и спириллы, состоящие из нескольких завитков. К извитым формам также относятся кампилобактеры, похожие под микроскопом на крылья летящей чайки.

Структура бактериальной клетки. Структурные элементы бактери­альной клетки можно условно разделить на: а) постоянные структурные элементы - имеются у каждого вида бактерий, в течение всей жизни бакте­рии; это клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, нуклеоид; б) непостоянные структурные элементы, которые способны обра­зовывать не все виды бактерий, а те бактерии, которые образуют их, могут терять их и вновь приобретать в зависимости от условий существования. Это капсула, включения, пили, споры, жгутики.

Клеточная стенка покрывает всю поверхность клетки. У грамположительных бактерий клеточная стенка более толстая: до 90% - это полимерное соединение пептидогликан, связанный с тейхоевыми кис­лотами, и слой белка. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тоньше, но сложнее по составу: состоит из тонкого слоя пептидогликана, липополисахаридов, белков; она покрыта наружной мембраной. Наружная мембрана грамотрицательных бактерий является барьером для некоторых антибиотиков, в том числе таких, которые получены в последнее время. Возможно, что этим можно объяснить, почему с не­давнего времени в возникновении внутрибольничных инфекций все воз­растающую роль играют грамотрицательные бактерии, такие как ки­шечная палочка, синегнойная палочка. Ранее первенство в этой области принадлежало стафилококкам.

Клеточная стенка выполняет важную биологическую роль: прида­ет бактерии определенную форму, защищает ее от воздействий окру­жающей среды, участвует в транспорте питательных веществ и про­дуктов обмена. В то же время пептидогликан клеточной стенки явля­ется мишенью для действия пенициллина и других антибиотиков, которые нарушают процесс формирования полимерного пептидогликана. Отсюда понятно, почему пенициллины действуют преимуществен­но на грамположительные бактерии, причем на молодые растущие клетки.

Значение клеточной стенки в сохранении определенной формы и в защите от окружающей среды наглядно демонстрируется на примере сферопластов и протопластов, которые образуются при разрушении клеточной стенки под действием пенициллина или лизоцима. Пол­ностью или частично лишенные клеточной стенки, они имеют сфери­ческую форму, могут выживать только в гипертонической среде и не­способны к размножению. L-формы бактерий - это бактерии, полнос­тью или частично утратившие клеточную стенку, но сохранившие спо­собность к размножению. Свое название они получили в честь инсти­тута имени Листера в Англии, где были впервые получены. Не имея клеточной стенки, они также приобретают сферическую форму. L-фор­мы возникают и в естественных условиях, длительно сохраняются в организме человека и играют важную роль в патогенезе некоторых инфекционных заболеваний.

Цитоплазматическая мембрана расположена непосредственно под клеточной стенкой. Она обладает избирательной проницаемостью, и бла­годаря этому регулирует водно-солевой обмен клетки, транспорт пита­тельных веществ в клетку и выведение наружу продуктов обмена. В этих процессах участвуют ферменты пермеазы. Кроме того, здесь имеются ферменты, осуществляющие биологическое окисление.

Цитоплазматическая мембрана путем инвагинации внутрь клетки образует мембранные структуры - мезосомы. Геном клетки (ДНК) свя­зан с мезосомой, и отсюда начинается процесс репликации ДНК при делении клетки.

Цитоплазма - внутреннее гелеобразное содержимое бактериальной клетки, пронизано мембранными структурами, создающими жест­кую систему. В цитоплазме содержатся рибосомы (в которых осуще­ствляется биосинтез белков), ферменты, аминокислоты, белки, рибонуклеиновые кислоты.

Нуклеоид - это хромосома бактерий, двойная нить ДНК, коль­цевидно замкнутая, связанная с мезосомой. В отличие от ядра эукариотов, нить ДНК свободно располагается в цитоплазме, не имеет ядерной оболочки, ядрышка, белков-гистонов. Нить ДНК во много раз длиннее самой бактерии (например, у кишечной палочки длина хро­мосомы более 1 мм).

Помимо нуклеоида, в цитоплазме могут находиться внехромосомные факторы наследственности, называемые плазмидами. Это ко­роткие кольцевидные нити ДНК, прикрепленные к мезосомам.

Включения содержатся в цитоплазме некоторых бактерий в виде зерен, которые можно обнаружить при микроскопии. Большей частью это запас питательных веществ. Например, у дифтерийных палочек на концах видны зерна волютина, и это является важным признаком для определения этого вида бактерий. Вместе с тем это могут быть и скоп­ления неорганических веществ, например, серы, и продукты бактери­ального метаболизма.

Пили (лат. pili - волоски) иначе реснички, фимбрии, бахромки, вор­синки - короткие нитевидные отростки на поверхности бактерий. Пили общего типа (common pili) в количестве нескольких сотен равномерно покрывают бактерию. Они осуществляют прикрепление (адгезию) бак­терии к клетке хозяина и участвуют в питании. Половые пили (sex-пили) имеют внутри канал и образуются только клетками-донорами. Они обеспечивают конъюгацию у бактерий и переход ДНК из одной клетки в другую.

Споры образуют среди патогенных бактерий только палочки - ба­циллы и клостридии. Споры бактерий не являются способом разм­ножения, поскольку из одной клетки формируется только одна спора. Биологическая роль спор - сохранение вида в неблагоприятных усло­виях внешней среды.

Превращение бактериальной клетки в спору происходит при по­падании бактерии во внешнюю среду, чаще всего - в почву. Спора формируется внутри клетки, затем вегетативное тело лизируется. Об­разование споры происходит в течение суток. Споры чрезвычайно ус­тойчивы и могут длительное время сохранять жизнеспособность: де­сятками лет остаются живыми в почве споры возбудителей сибирской язвы, столбняка, ботулизма. Они не погибают при 100°С, убить их можно только автоклавированием, сухим жаром при 160-170°С в течение 1-2 часов, или с помощью спороцидных химических веществ. При попадании в благоприятные условия (оптимальная температура, достаточная влажность, наличие питательных веществ) происходит про­растание спор в вегетативные формы. Прогревание спор при 100°С вызывает их тепловую активацию с последующим прорастанием. Это явление используется при стерилизации дробными методами.

Спорообразование - одно из свойств, характерное для определенных видов бактерий. Форма и расположение споры внутри клетки являются постоянным признаком вида и могут быть использованы для его идентификации. Форма спор бывает круглой или овальной. Расположение центральное - у бацилл сибирской язвы, субтерминальное (ближе к одному из концов) - у клостридий ботулизма и газовой анаэробной инфекции, терминальное (на конце) - у клостридий столб­няка. Для окраски спор применяют способ Ожешки, основанный на их кислотоустойчивости.

Жгутики. Многие виды бактерий способны передвигаться благо­даря наличию жгутиков. Из патогенных бактерий только среди пало­чек и извитых форм имеются подвижные виды. Жгутики представляют собой тонкие эластичные нити, длина которых у некоторых видов в несколько раз больше длины тела самой бактерии. Число и располо­жение жгутиков является характерным видовым признаком бактерий. Различают бактерии: монотрихи - с одним жгутиком на конце тела, лофотрихи - с пучком жгутиков на конце, амфитрихи, имеющие жгути­ки на обоих концах, и перитрихи, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела. К монотрихам относится холерный вибрион, к перитрихам - сальмонеллы брюшного тифа.

Жгутики настолько тонки, что не видны в световом микроскопе. Их можно видеть в электронном микроскопе, а также при специальных способах окраски, когда толщину жгутика искусственно увеличивают: при помощи танина достигают набухания жгутикового белка, а затем обрабатывают азотнокислым серебром или красителем, который осе­дает на жгутиках, увеличивая их толщину. Можно косвенно судить о наличии жгутиков, наблюдая подвижность живых бактерий в препа­ратах "раздавленной" или "висячей" капли. Определение подвижнос­ти у бактерий является важным диагностическим признаком, и при по­вседневной практической работе удобно применять метод посева. В столбик полужидкого питательного агара уколом производится посев бактерий. Неподвижные бактерии растут по ходу укола, а у подвиж­ных наблюдается диффузный рост.

Капсула - наружный слизистый слой, который имеется у многих бактерий. У одних видов он настолько тонок, что обнаруживается толь­ко в электронном микроскопе - это микрокапсула. У других видов бак­терий капсула хорошо выражена и видна в обычном оптическом мик­роскопе - это макрокапсула. Капсула обычно состоит из полисахаридов, а у палочки сибирской язвы - из полипептидов

Одни бактерии образуют капсулу только в организме хозяина, на­пример, пневмококки, палочка сибирской язвы, палочка чумы; другие постоянно сохраняют ее, - это капсульные бактерии, например, клебсиеллы. Капсула защищает бактерии от фагоцитоза и антител, поэтому в инфекционном процессе она играет роль одного из факторов патогенности, обеспечивающего антифагоцитарную активность возбудителя болезни. Наличие капсулы является дифференциальным признаком для оп­ределения вида таких микробов, как пневмококк, палочка сибирской язвы, клебсиеллы пневмонии, которые образуют макрокапсулу, види­мую в световом микроскопе. Для обнаружения капсулы применяют спо­соб окраски по Бурри-Гинсу: при этом на темном фоне туши видны ок­рашенные фуксином бактерии, окруженные бесцветной капсулой.