<<
>>

Структура бактериальной клетки и химический состав микроорганиз­мов

Бактерии I и II отделов - это простейшие одноклеточные организмы, не имеют хлорофилла. Содержат нуклеиновую кислоту, белки, полисахариды, липиды, мине­ральные вещества, воду, микроэлементы.

У них всегда присутствуют оболочка, цито­плазма и нуклеоид. Не у всех бактерий имеются капсула, жгутики, фибриллы, пили, споры, включения.

Все эти структуры выявлены различными методами. Их величину определяют ультрацентрифугированием, ультрафильтрацией, микроскопией с использованием микрометра. Она колеблется от 0,1 нм до 10-20 нм (1000 нм=1 мкм; 1000 мкм=1 мм).

Оболочка бактерий состоит из трех слоев: слизистого (поверхностного), соб­ственно клеточной стенки и ЦПМ - цитоплазматической мембраны.

Слизистый слой располагается поверх клеточной стенки, состоит из высокопо- лимерных мукополисахаридов, которые не имеют с клеточной стенкой постоянной и прочной связи.

Клеточная стенка бактерий и грибов располагается между цитоплазматической мембраной и капсулой (если она имеется) или ионизированным слоем внешней среды (рис. 1 и 2).

Толщина клеточной стенки колеблется от 10 до 35 нм. Клеточная стенка состав­ляет 10-50% сухой массы бактерий, построена из полимеров или блоков, включающих липопротеиды, липополисахариды, протеины, тейхоевые кислоты.

Главным и специфичным для клеточной стенки компонентом является муреин или пептидогликан. Он имеется только у эубактерий (кроме микоплазм). Пептидогли­кан включает в себя остов и два набора пептидных цепочек - боковых и поперечных. Остов состоит из остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, свя­занных между собой β-гликозидными связями. Основу пептидов связи составляют тетрапептиды, состоящие из чередующихся L- и D-аминокислот, например, L-аланин- D-глютаминовая кислота- мезодиаминопимелиновая кислота-Э-аланин.

В тетрапептидной боковой цепочке у большинства грамотрицательных бактерий имеется диаминопимелиновая кислота - уникальный компонент клеточной стенки, который имеется только у прокариотов.

У грамотрицательных бактерий клеточная стенка слоиста. Внутренний слой по­строен из пептидогликана (5-10%), не содержит тейхоевых кислот. Наружная мембра­на имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с цитоплазматической мембраной. Основной компонент этих мембран - двойной слой липидов. Наружная мембрана представлена липополисахаридами, фосфолипидами и белками. В состав белков, заключенных в фосфолипидную матрицу, входят 3 или 4 основных («мажор­ных»), которые составляют 70% суммарных белков наружной мембраны; два из ос­

новных белков проходят через оба слоя мембраны и прочно связаны с пептидоглика­ном. Эти белки-порины располагаются в виде триплетов и образуют диффузионные поры, через которые в клетку проникают мелкие гидрофильные молекулы. Второсте­пенные белки участвуют в облегченной диффузии и активном транспорте молекул, участвуют в конъюгации (являются рецепторами для донорских ворсинок), в контроле репликации ДНК и регуляции клеточного деления.

С внешней её стороны располагается липополисахарид (ЛПС), состоящий из трех компонентов: липида А, базисной части (ядра) и О-специфической цепи полисахари­да, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последователь­ностями.

ЛПС грамотрицательных бактерий обладает токсическими свойствами (связан с эндотоксином) и выраженными антигенными свойствами (О-антиген определяет се- рогруппу, серовар), по которым можно дифференцировать бактерии. Кроме того, ЛПС в организме запускает синтез около 20 различных биологически активных соедине­ний, которые опосредуют патогенез эндотоксикоза и обладают пирогенным действи­ем.

Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет однородную структуру, пластичный слой тонкий и ковалентно связан с ригидным слоем. Она толще, чем у грамотрицательных бактерий - 20-60 нм. У грамположительных бактерий клеточная стенка на 60-90% состоит из пептидогликана и тесно связанных с ним тейхоевых кис­лот. Тейхоевые кислоты (от греч. teichos- стенка) - растворимые в воде линейные по­лимеры, содержащие остатки глицерина или рибитола, связанные между собой фос- фодиэфирными связями.

Способность грамположительных бактерий при окраске по Граму удерживать генцианфиолетовый в комплексе с иодом (сине-фиолетовая окраска бактерий) связана со свойством многослойного пептидогликана взаимодействовать с краской. Обработ­ка окрашенного по Граму мазка бактерий спиртом вызывает сужение пор в пептидо­гликане и задержку красителя в клеточной стенке. Наоборот, грамотрицательные бак­терии после воздействия спиртом утрачивают краситель, обесцвечиваются, поры от­крываются и при обработке фуксином бактерии окрашиваются в красный цвет.

Пептидогликан может разрушаться под действием фермента лизоцима (мурами­дазы), гидролизующего связи между ацетилглюкозамином и ацетилмурамовой кисло­той.

Клеточная стенка выполняет следующие функции:

* определяет и сохраняет постоянную форму микробной клетки;

* является осмотическим барьером, защищает внутреннюю часть клетки от действия механических и осмотических сил внешней среды;

* имеет своеобразное строение в виде «сита», через ее поры в клетку проникают питательные вещества, а из клетки выделяются продукты метаболизма, токсины, ферменты;

* участвует в регуляции роста и деления клеток;

* в клеточной стенке находятся гидролитические ферменты. Они обеспечивают рост клеточной стенки, а при гибели - аутолиз её;

* защищает клетку от неблагоприятных воздействий (температура, химические вещества);

* в ней локализуются основные антигенные детерминанты для взаи­модействия со специфическими антителами и бактериофагами;

* имеет сложный химический состав, который позволяет дифферен­цировать клетки на грамположительные и грамотрицательные;

Способы выявления клеточной стенки:

* опыт Фишера - клетку помещают в гипертонический раствор соли или сахара. Вещества из клетки выходят в сторону большего осмотического дав­ления - клеточная стенка отслаивается от цитоплазмы и видна в световом мик-

роскопе;

*

электронная микроскопия и ультрацентрифугирование с учетом по

константе седиментации;

* действие лизоцима или антибиотиков приводит к растворению кле­точной стенки.

Если клеточная стенка полностью разрушается - образуются протопласты или L-формы бактерий. В отличие от протопластов, L-формы способны размножаться. Они бывают стабильные, если не восстанавливаются в исходную форму, и нестабиль­ные (восстанавливаются). Если клеточная стенка растворяется частично, то образуется сферопласт.

Цитоплазматическая мембрана. Цитоплазматическая мембрана имеет три слоя - двойной фосфолипидный и глобулярный белковый. Она ограничивает цитоплазму, поддерживает постоянство осмотического давления, необходимого для нормального метаболизма клетки, контролирует водный и солевой обмен, обеспечивает питание бактерий за счет ферментов-пермеаз, расположенных в ЦПМ. За счет окислительно­восстановительных ферментов ЦПМ принимает участие в процессах дыхания. ЦПМ участвует в делении клетки, биосинтезе компонентов клеточной стенки и капсулы, в регуляции процессов репликации и сегрегации хромосом и плазмид.

Имеется система внутренних мембран - мезосомы - это аналоги митохондрий. Они являются производными ЦПМ, связаны с нуклеоидом. Принимают участие в де­лении клеток, в распределении дочерних нуклеоидов в делящихся клетках, участвуют в спорообразовании, в синтезе материала клеточной стенки, в энергетическом метабо­лизме.

Цитоплазма - это коллоидная масса, заключенная в оболочку. Химический со­став её сложный (белки, полисахариды, липиды, РНК, микроэлементы, минеральные вещества).

В электронном микроскопе в цитоплазме выявлены: эндоплазматическая сеть, рибосомы и гранулярные образования.

Рибосомы - структуры, в которых идет синтез белка. В свободном состоянии ри­босомы могут находиться в виде 2 субъединиц с константой седиментации 30S и 50S. Перед синтезом белка субъединицы объединяются в рибосому с константой седимен­тации 70S. Количество рибосом в клетке колеблется от 5 до 10000. Часто они группи­руются в полисомы - полирибосомы.

Гранулы гликогена, крахмала, жира, зерна волютина (полифосфаты) играют тро­фическую и диагностическую роль (у дифтерийной палочки зерна волютина распола­гаются по полюсам и интенсивно прокрашиваются «метахромазия»). В цитоплазме могут быть плазмиды - участки дополнительного генетического материала, представ­ленные двойной нитью ДНК, обеспечивающие определенные свойства бактерий (см. в разделе генетики бактерий).

Нуклеоид (хромосома). Нуклеоид бактерий содержит циркулярно-замкнутую двойную нить ДНК, располагается в цитоплазме в виде клубка. У нуклеоида нет ядер- ной оболочки, ядрышек, белков гистонов и протаминов; при этом микробная клетка не делится митозом, т.к. нет митотического аппарата.

В нуклеоиде есть ДНК, РНК и ферменты, в частности РНК-полимераза. РНК и РНК-полимераза находятся в центре, а на них намотана ДНК, которая расположена компактно. Один конец ДНК связан с мезосомами ЦПМ, что способствует разделе­нию дочерних хромосом при репликации. Бактерии - гаплоидные существа. Содержат 1 молекулу ДНК, ее можно рассматривать как одиночную хромосому, в расправлен­ном состоянии ее длина 1 мм.

Форма нуклеоида различна: сферическая, палочковидная, подковообразная. В клетке в зависимости от физиологического состояния может быть один или кратное двум количество нуклеоидов. В молодых клетках - несколько, в старых - 1, у кокков - 1, у палочковидных - много.

Функции нуклеоида: хранитель генетической информации, которая закодирована в ДНК; принимает участие в генетических процессах (мутациях, рекомбинациях), а также в делении бактерий и спорообразовании.

Доказательства наличия нуклеоида:

- цитохимическая реакция Фельгена на ДНК. На мазок бактерий наносят соляную кислоту, при этом из дезоксирибозы образуются альдегиды, которые с фуксинсерни- стой кислотой реактива Шиффа дают фиолетовое окрашивание;

- люминесцентная микроскопия: при окраске мазка акридиновым оранжевым ДНК в ультрафиолете светится зеленым светом, РНК - красным;

- электронная микроскопия ультратонких срезов.

Жгутики - органы передвижения бактерий. Это тончайшие длинные нити (3 - 5х12-25 нм), одетые чехлом белковой природы, берут начало в цитоплазме и связаны с телом клетки при помощи дисков. Наружный диск находится в клеточной стенке, внутренний в ЦПМ. В состав жгутиков входит белок флагеллин, он относится к числу сократительных белков, обладает высокой антигенной активностью и специфично­стью (см. Н-антиген).

Для изучения жгутиков существуют прямые и косвенные методы. Прямые - это электронная микроскопия и световая после окраски по Лёффлеру. Косвенные - посев уколом в столбик полужидкого агара и микроскопия нативного материала в препара­тах «висячая» и «раздавленная» капли в световом и фазово-контрастном микроскопах.

По наличию жгутиков и их расположению микробы разделяются на монотрихи - имеют 1 жгутик, лофотрихи - пучок жгутиков с одной стороны, амфитрихи - по од­ному жгутику или по пучку жгутиков по полюсам, перитрихи - жгутики по всей по­верхности тела клетки, атрихи - без жгутиков.

Помимо жгутиков есть ворсинки (пили, бахромки) - это органы прикрепления. Наиболее изучены 2 вида пилей - половые (sex) пили, через которые идет передача генетического материала из клетки донора в клетку реципиента в процессе конъюга­ции, и пили, обеспечивающие прикрепление или адгезию бактерий к определенным клеткам организма хозяина.

Фибриллы (периплазматические жгутики) - органы передвижения у спирохет, они состоят из отдельных переплетающихся нитей и располагаются между клеточной стенкой и ЦПМ.

Споры - покоящиеся формы жизненного цикла бактерий, образуются внутри ци­топлазмы вегетативных клеток в неблагоприятных условиях существования и обеспе­чивают сохранение вида. В спорах микробы находятся в состоянии анабиоза. Микро­бы, образующие споры, называются бациллами (аэробы) или клостридиями (анаэроб­ные бактерии, имеющие форму веретена). Споры отличаются от вегетативной клетки тем, что происходит репрессия генома и клетка переходит в состояние анабиоза, при котором отсутствует обмен веществ, вода переходит из свободного состояния в свя­занное, повышается концентрация ионов кальция, появляется дипиколиновая кислота, которая обусловливает термоустойчивость споры.

Процесс спорообразования сходен у большинства бактерий. Вначале образуется дополнительный нуклеоид, который отходит к одному из полюсов клетки. Затем в ЦПМ образуется инвагинация, разделяющая клетку на 2 протопласта, каждый из ко­торых содержит 1 хромосому. Меньший из протопластов - проспора (предспора) - покрывается второй оболочкой, которая синтезируется мембраной материнской клет­ки. В оболочке клетки содержится дипиколиновая кислота и ионы кальция. Далее между двумя листками мембраны формируется специфический для споры кортикаль­ный слой (кортекс), состоящий из пептидогликана, который отличается по составу от пептидогликана клеточной стенки. Снаружи спора покрывается толстой рыхлой обо­лочкой - экзоспориумом, содержащей немного углеводов. Белковая оболочка споры богата остатками цистеина и лизина и обладает гидрофобностью. После этого насту­пает аутолиз вегетативной клетки.

При попадании споры в благоприятные условия происходит активация споры и ее прорастание в вегетативные клетки. Идет дерепрессия генома, мобилизация мета­болических процессов, из клетки удаляется дипиколиновая кислота, ионы кальция, разрушается пептидогликан кортекса.

Прорастание спор включает три стадии: активацию, начальную стадию и ста­дию роста.

Активация является обязательным условием прорастания спор. Она осуществля­ется различными воздействиями: снижением рН, веществами, содержащими свобод­ные сульфгидрильные группы, повышением температуры, механическим поврежде­нием спор.

Начальная стадия: происходит активация автолизина, который разрушает пепти­догликан кортекса, в спору поступает вода, выходит дипиколинат кальция.

Стадия роста. После разрушения кортекса и наружных слоев споры появляется вегетативная клетка, которая при наличии питательных веществ удваивает свою био­массу, делится на две дочерние клетки, которые далее активно размножаются. Про­

цесс прорастания споры контролируется генами как спорового, так и вегетативного геномов.

Для обнаружения спор используют электронную микроскопию, а также специ­альный метод окраски по Ожешко, на первом этапе которого нефиксированный мазок обрабатывают в течение 1-2 минут 0,5% р-ром HCl при подогревании, а далее препа­рат окрашивают по методу Циль-Нильсена. Споры окрашиваются в красный цвет, а вегетативные клетки - в синий. При простых методах окраски оболочка не пропускает красители, споры сильно преломляют свет и видны в микроскопе как прозрачные зер­на.

Капсула - структура бактериальной клетки, которая расположена на поверхно­сти клеточной стенки и тесно связана с ней. Она состоит из высокогидрофильных ми­целл гетерополисахаридов (у кишечных бактерий), белков (у стрептококков), поли­пептидов (бацилл сибирской язвы). В зависимости от толщины слоя и прочности со­единения с телом различают капсулу или макрокапсулу, которая видна в световом микроскопе, микрокапсулу (К-антиген), которая выявляется при электронной микро­скопии, серологическими и химическими методами, и слизистый слой, который не­прочно связан с клеточной стенкой и состоит из экстрацеллюлярных веществ микро­ба.

У некоторых бактерий капсула постоянна, содержится у всех особей и во всех средах (Klebsiella pneumoniae, S. pyogenes).У пневмококков, возбудителей сибирской язвы, C. perfringensкапсульное вещество образуется только в макроорганизме, а на питательных средах синтез его прекращается. Капсула является важным фактором ви­рулентности, защищает бактерии от действия фагоцитов, связывает ионы тяжелых ме­таллов, защищает от действия антител, комплемента и от высыхания. Определение капсулы используют для классификации и идентификации бактерий и установления их вирулентности. Капсула выявляется при специальных методах окраски (метод Бурри-Гинса), создающих негативное контрастирование вещества капсулы тушью.

2.3.

<< | >>
Источник: Новиков Д.К., Генералов И.И., Данющенкова Н.М. и др.. Медицинская микробиология. Витебск, 2010. 2010

Еще по теме Структура бактериальной клетки и химический состав микроорганиз­мов:

  1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
  2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЦВЕТОЧНОГО МЕДА
  3. Химический состав воска
  4. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЧЕЛИНОГО ЯДА
  5. Химический состав прополиса.
  6. Глава 3. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВИРУСОВ
  7. Химический состав.
  8. Химический состав маточного молока.
  9. Химический состав минеральной воды источников «Жемчуг»
  10. ВИДОВОЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА КОМПЛЕКСОВ ВОЗБУДИТЕЛЕЙ, ПЕРЕНОСЧИКОВ И ПРОКОРМИТЕЛЕЙ НА УЧАСТКАХ С РАЗЛИЧНОЙ АНТРОПОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИЕЙ
  11. Дендритные клетки и клетки Лангерганса.
  12. Класс клетки
  13. Взаимодействие вируса с клеткой
  14. 4.1.1. «Классическая» химическая дезинфекция.