Строение микробов. Микробиология с техникой микробиологических исследований - строение бактерий. Морфологические формы бактерий

Микроорганизмами (микробами) называют одноклеточные организмы размером менее 0,1 мм, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. К ним относятся бактерии, микроводоросли, некоторые низшие мицелиальные грибы, дрожжи, простейшие (рис. 1). Их изучением занимается микробиология.

Рис. 1. Объекты микробиологии.

На рис. 2. можно увидеть некоторых представителей одноклеточных простейших. Иногда к объектам данной науки относят самые примитивные организмы на Земле — вирусы, не имеющие клеточную структуру и представляющие собой комплексы из нуклеиновых кислот (генетического материала) и белка. Чаще их выделяют в совершенно отдельную область исследования (Вирусологию), так как микробиология скорее направлена на изучение микроскопических одноклеточных.

Рис. 2. Отдельные представители одноклеточных эукариот (простейших).

Такие науки, как альгология и микология, изучающие водоросли и грибы, соответственно, являются отдельными дисциплинами, перекрывающимися с микробиологией в случае исследования микроскопических живых объектов. Бактериология является истинным разделом микробиологии. Данная наука занимается изучением исключительно прокариотных микроорганизмов (рис. 3).

Рис. 3. Схема прокариотической клетки.

В отличие от эукариот, к которым относятся все многоклеточные организмы, а также простейшие, микроскопические водоросли и грибы, у прокариот отсутствует оформленное ядро, содержащее генетический материал и настоящие органоиды (постоянные специализированные структуры клетки) .

К прокариотам относятся истинные бактерии и археи, по современной классификации обозначенные, как домены (надцарства) Archaea и Eubacteria (рис. 4).

Рис. 4. Домены современной биологической классификации.

Особенности строения бактерий

Бактерии являются важным звеном в круговороте веществ в природе, разлагают растительные и животные остатки, очищают загрязненные органикой водоемы, модифицируют неорганические соединения. Без них не могла бы существовать жизнь на земле. Данные микроорганизмы распространены везде, в почве, воде, воздухе, организмах животных и растений.

Бактерии различаются по следующим морфологическим особенностям:

1. Форма клеток (округлые, палочковидные, нитчатые, извитые, спиралевидные, а также различные переходные варианты и звездообразная конфигурация).
2. Наличие приспособлений для движения (неподвижные, жгутиковые, за счет выделения слизи).
3. Сочленение клеток друг с другом (изолированные, сцепленные в виде пар, гранул, ветвящиеся формы).

Среди структур, образуемых округлыми бактериями (кокками) выделяют клетки, находящиеся в паре после деления и затем распадающиеся на одиночные образования (микрококки) или остающиеся все время вместе (диплококки). Квадратичную структуру из четырех клеток образуют тетракокки, цепочку – стрептококки, гранулу из 8-64 единиц – сарцины, грозди – стафилококки.

Палочковидные бактерии представлены многообразием форм вследствие большой изменчивости длинны (0,1-15 мкм) и толщины (0,1-2 мкм) клетки. Форма последних также зависит от способности бактерий к образованию спор – структур с толстой оболочкой, позволяющей переживать микроорганизмам неблагоприятные условия. Клетки с такой способностью называет бациллами, а не обладающие такими свойствами просто палочковидными бактериями.

Особыми видоизменениями палочковидных бактерий являются нитчатые (вытянутые) формы, цепочки и ветвящиеся структуры. Последнюю образуют актиномицеты на определенной стадии развития. «Кривые» палочки называют извитыми бактериями, среди которых выделяют вибрионы; спириллы, имеющие два изгиба (15-20 мкм); спирохеты, напоминающие волнистые линии. Их длины клеток 1-3, 15-20 и 20-30 мкм, соответственно. На рис. 5 и 6 представлены основные морфологические формы бактерий, а также типы расположения споры в клетке.

Рис. 5. Основные формы бактерий.

Рис. 6. Бактерии по типу расположения споры в клетке. 1, 4 – в центре; 2, 3, 5 – концевое расположение; 6 – с боку.

Основные клеточные структуры бактерий: нуклеоид (генетический материал), предназначенные для синтеза белка рибосомы, цитоплазматическая мембрана (часть оболочки клетки), которая у многих представителей дополнительно сверху защищена , капсулой и слизистым чехлом (рис. 7).

Рис. 7. Схема бактериальной клетки.

По классификации бактерий выделяют более 20 типов. Например, экстремально термофильные (любители высоких температур) Aquificae, анаэробные палочковидные бактерии Bacteroidetes. Однако наиболее доминантным типом, включающим в себя многообразных представителей, является Actinobacteria. К нему относятся бифидобактерии, лактобациллы, актиномицеты. Уникальность последних заключается в способности формировать мицелий на определенной стадии развития.

В простонародье это называется грибница. Действительно, разветвления клеток актиномицет напоминают гифы грибов. Несмотря на такую особенность, актиномицеты относят к бактериям, так как они являются прокариотами. Естественно их клетки по особенностям структуры менее сходны с грибами.

Актиномицеты (рис. 8) являются медленно растущими бактериями, поэтому не имеют возможности конкурировать за легкодоступные субстраты. Они способны разлагать вещества, которые другие микроорганизмы не могут использовать в качестве источника углерода, в частности углеводороды нефти. Поэтому актиномицеты интенсивно исследуются в области биотехнологии.

Некоторые представители концентрируется в зонах нефтяных месторождений, и создают специальный бактериальный фильтр, препятствующий проникновению углеводородов в атмосферу. Актиномицеты являются активными продуцентами практически ценных соединений: витаминов, жирных кислот, антибиотиков.

Рис. 8. Представитель актиномицет Nocardia.

Грибы в микробиологии

Объектом микробиологии являются только низшие плесневые грибы (ризопус, мукор, в частности). Как все грибы они не способны синтезировать вещества сами и нуждаются в питательной среде. Мицелий у низших представителей данного царства примитивен, не разделен перегородками. Особую нишу в микробиологических исследованиях занимают дрожжи (рис. 9), отличающиеся отсутствием мицелия.

Рис. 9. Формы колоний дрожжевых культур на питательной среде.

В настоящее время об их полезных свойствах собраны многочисленные знания. Однако дрожжи продолжают исследоваться на способность синтезировать практически ценные органические соединения и активно применяются в качестве модельных организмов при проведении генетических экспериментов. С древних времен дрожжи использовались в бродильных процессах. Метаболизм у разных представителей отличается. Поэтому для какого-то конкретного процесса одни дрожжи больше подходят, чем другие.

Например, Saccharomyces beticus, более устойчивые к высоким концентрациям спирта, используются для создания крепких вин (до 24%). В то время как, дрожжи S. cerevisiae способны вырабатывать более низкие концентрации этанола. По направлениям их применения дрожжи классифицируются на кормовые, пекарские, пивные, спиртовые, винные.

Болезнетворные микроорганизмы

Болезнетворные или патогенные микроорганизмы встречаются повсеместно. Наряду с широко известными вирусами: гриппом, гепатитом, корью, ВИЧ и прочее опасными микроорганизмами являются риккетсии, а также стрепто- и стафилококки, вызывающие заражение крови. Среди палочковидных бактерий много возбудителей заболеваний. Например, дифтерия, туберкулез, брюшной тиф, (рис. 10). Немало опасных для человека представителей микроорганизмов встречается среди простейших, в частности малярийный плазмодий, токсоплазма, лейшмания, лямблия, трихомонада, патогенные амебы.

Рис. 10. Фотография бактерии Bacillus anthracis, вызывающей сибирскую язву.

Многие актиномицеты не опасны для человека и животных. Однако немало патогенных представителей встречается среди микобактерий, вызывающих туберкулез, проказу (лепру). Некоторые актиномицеты инициируют такое заболевание, как актиномикоз, сопровождающийся образованием гранулем, иногда повышением температуры тела. Отдельные виды плесневых грибов способны вырабатывать токсические для человека вещества – микотоксины. Например, некоторые представители рода Aspergillus, Fusarium. Патогенные грибы вызывают группу заболеваний, называемых микозами. Так, кандидоз или, попросту говоря, молочницу вызывают дрожжеподобные грибы (рис. 11). Они всегда содержаться в организме человека, но активизируются только при ослаблении иммунитета.

Рис. 11. Гриб Candida – возбудитель молочницы.

Грибы могут вызывать разнообразные поражения кожи, в частности всевозможные виды лишая, кроме опоясывающего (герпеса), который вызывается вирусом. Дрожжи Malassezia – постоянные обитатели кожи человека при спаде активности иммунной системы могут вызвать . Не стоит сразу бежать мыть руки. Дрожжи и условно патогенные бактерии при хорошем здоровье выполняют важную функцию, препятствуют развитию болезнетворных микроорганизмов.

Вирусы как объект микробиологии

Вирусы – самые примитивные организмы на земле. В свободном состоянии в них не происходят никакие обменные процессы. Только при попадании в клетку-хозяина вирусы начинают размножаться. У всех живых организмов носителем генетического материала является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Только среди вирусов встречаются представители с генетической последовательностью типа рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Часто вирусы не относят к истинно живым организмам.

Морфология вирусов очень разнообразна (рис. 12). Обычно их диаметральные размеры колеблются в пределах 20-300 нм.

Рис. 12. Разнообразие вирусных частиц.

Отдельные представители достигают в длину 1-1,5 мкм. Структура вируса заключается в окружении генетического материала специальным белковым каркасом (капсидом), отличающимся разнообразием форм (спиральный, икосаэдрический, шарообразный). Некоторые вирусы сверху имеют еще оболочку, сформированную из мембраны клетки-хозяина (суперкапсид). Например, (рис. 13) известен как возбудитель заболевания, которое носит название (СПИД). Он содержит в качестве генетического материала РНК, поражает определенный тип клеток иммунной системы (т-лимфоциты хелперы).

Рис. 13. Строение вируса иммунодефицита человека.

Страница 4 из 91

Несмотря на микроскопические размеры и внешнюю простоту устройства бактерии по своему строению представляют собой сложные организмы. Их тонкую структуру удалось установить с помощью электронной микроскопии и микрохимическими исследованиями (рис. 4).
По современным представлениям тело бактерий построено по типу растительных клеток и состоит из оболочки, внутреннего содержимого (цитоплазмы) и ядра.
Оболочка бактерий тонка и бесцветна. Она обусловливает сохранение бактериями относительного постоянства форм и поверхностные свойства бактериальной клетки - поверхностное натяжение, электрический заряд, осмотическое состояние.
В оболочке имеются три слоя: 1) внутренний - цитоплазматическая мембрана, 2) средний - клеточная стенка и 3) наружный - слизистый. Они защищают клетку от вредных факторов окружающей среды.
Цитоплазматическая мембрана находится под клеточной стенкой и составляет наружный слой цитоплазмы. Ее толщина - 50-75 А. На ее поверхности находятся различные ферменты. Одни из них принимают участие в синтезе белков, другие - в процессе дыхания.
Клеточная стенка имеет величину 100-200А. Она довольно плотная, придает бактериям определенную форму и обладает избирательной способностью к веществам окружающей среды и продуктам обмена самой клетки. Клеточная стенка некоторых грамотрицательных бактерий характеризуется многослойным строением и состоит из макромолекул углеводов, липоидов и белков. Такая же многослойная структура присуща и грамположительным бактериям, у которых глубокий слой, граничащий с цитоплазматической мембраной, состоит из белков, а более поверхностно расположен рибонуклеат магния.
Наличие клеточной стенки у бактерий можно доказать при явлениях плазмолиза или плазмоптиз а. Сущность плазмолиза заключается в следующем.

Рис. 4. Схематическое изображение строения бактерийной клетки.
Если бактерии поместить в гипертонический раствор сахара или поваренной соли, то цитоплазма обезвоживается, сморщивается и вместе с цитоплазматической мембраной отходит от клеточной стенки, которая становится отчетливо заметной как в окрашенных, так и неокрашенных препаратах. При обратном отношении концентрации, т. е. когда бактерии находятся в гипотонических растворах или дистиллированной воде, клетки разбухают до крайних пределов, разрываются и клеточная стенка отчетливо выявляется в окрашенном или неокрашенном состоянии (плазмоптиз).
Капсула. Клеточная стенка снаружи покрыта слоем слизи. У некоторых бактерий этот слизистый слой может достигать значительной толщины и тогда вокруг клетки образуется подобие футляра - капсула. Поперечник капсулы иногда во много раз превышает размеры самого микробного тела. Капсулы хорошо видны при специальном методе окраски по Гинсу, на темном фойе препарата выделяется окрашенный микроб, окруженный ободком бесцветной слизи (см. рис. 19). Патогенные бактерии (пневмококк, бациллы сибирской язвы и др.) образуют капсулу только в организме больного человека или животного. Для некоторых микроорганизмов (группа капсульных бактерий - бактерии пневмонии, озены и риносклеромы) наличие капсулы является их постоянным признаком, т. е. они образуют капсулу как в организме, так и вне его. Капсулы для патогенных бактерий являются полезным образованием, защищающим их от вредного воздействия макроорганизма (фагоцитоза, действия антител). Это можно видеть на примере пневмококков и сибиреязвенных бацилл, которые в организме образуют капсулу, а попадая во внешнюю среду, утрачивают ее.
Химический состав капсул неоднороден. У одних бактерий слизистый слой состоит из высокомолекулярных полисахаридов и глюкопротеидов (например, у пневмококка), у других из протеинов (у бацилл сибирской язвы).
Цитоплазма микробов представляет собой смесь коллоидов, имеет жидкую консистенцию. В ее состав входит вода, белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и другие вещества. При электронной микроскопии в цитоплазме обнаруживают мелкие зерна (гранулы) 100-200 А в диаметре, содержащие дегидразы, различные цитохромы, рибонуклеиновую кислоту. Гранулы, богатые РНК, называются рибосомами, в них происходит синтез белков и ферментов. Гранулярные структуры обладают биохимической активностью. Нередко в цитоплазме содержатся разнообразные включения - сера, капли жира (липопротеидные тельца), гранулеза, гликоген, зерна пигмента. Из белковых веществ встречаются зерна волютина, которые представляют собой нуклеопротеид и содержат значительное количество метафосфатов и других соединений фосфора. Особенно хорошо развиты эти зерна у Spirillum volutans и поэтому они получили название волютиновые. Зерна волютина отличаются метахромозией, т. е. окрашиваются темнее цитоплазмы или избирательно принимают иную окраску, чем цитоплазма. Отсюда еще одно их название - метахроматические зерна. Наличие зерен волютина является одним из диагностических признаков при определении микроорганизмов (например, у дифтерийной палочки). Липопротеидные тельца и гранулы волютина используются бактериями при недостатке питательных веществ в среде. У некоторых микробов (кишечная палочка, микобактерии, сальмонеллы и др.) встречаются округлые или эллипсоидные зерна различной величины и содержащие фосфолипиды (м итохондрии). Митохондрии обладают системой окислительно-восстановительных ферментов и принимают участие в дыхательных процессах и анаэробном бродилыюм распаде веществ. В цитоплазме встречаются также вакуоли (6-10 и более), состоящие из различных растворенных в воде веществ. Вакуоли окружены мембраной - тонопластом. Роль вакуолей в жизнедеятельности бактерий не выяснена. На периферии цитоплазмы обнаруживаются тельца - мезосомы, играющие большую роль в образовании клеточной стенки и делении.
У некоторых бактерий удается воздействием пенициллина, лизоцима или бактериофага отделить цитоплазму от клеточной стенки. Бактерии, лишенные клеточной стенки, называются протопластами. Они представляют собой сферической формы тела, которые при соответствующих осмотических условиях обладают способностью к росту, дыханию, синтезу ферментов, протеинов, нуклеиновых кислот, спорообразованию. В отличие от бактерий протопласты не размножаются, весьма чувствительны к изменениям осмотического давления, механическим воздействиям и аэрации, действию антибактериальных веществ.
При частичной потере клеточной стенки наблюдается образование сферой ластов. В отличие от протопластов сферопласты сохраняют способность адсорбировать на себе бактериофаги.
Ядро. У бактерий (нуклеоид) ядро является важнейшим органоидом клетки, принимающим участие в жизнедеятельности, делении и спорообразовании. Компактное ядро встречается у крупных микроорганизмов (дрожжевых и дрожжеподобных грибах) и хорошо видно в обычном оптическом микроскопе при специальных методах окраски. У бактерий ядро мелкое и становится видимым только в электронном микроскопе. С помощью электронного микроскопа было доказано не только наличие у бактерий ядра в виде плотного хроматинового тяжа, но и выявлены изменения его формы, размеров и степени компактности. Доказано также, что более зрелым и старым клеточным формам свойственны более компактные ядра. Наличие хроматиновой субстанции у бактерий доказано и с помощью микрохимической нуклеальной реакции на тимонуклепновую кислоту, являющуюся обязательной частью хроматина.
Ядерная структура микробной клетки состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и выполняет основные функции ядра - самоудвоение, контролирование синтеза специфических белков, передача наследственных признаков потомству.
Споры. Для многих бактерий характерно образование спор. В отличие от вегетативных форм, которые представляют собой активную стадию бактериальной клетки, когда энергично проявляются все физиологические функции, споры - это покоящаяся форма микроорганизма. Спорообразование происходит обычно тогда, когда во внешней среде для бактерий создаются неблагоприятные условия: накопление вредных продуктов обмена, соответствующая температура, действие солнечных лучей, старение культуры микроорганизма на питательной среде и т. п. В организме человека и животных спорообразование не наблюдается.
То обстоятельство, что спорообразование наступает при условиях, неблагоприятных для жизнедеятельности бацилл, свидетельствует о том, что спора является приспособлением, служащим не для размножения клеток, а для сохранения вида. Это подтверждается еще и тем, что одна бактериальная клетка способна образовывать только одну спору.
Споры у различных бацилл отличаются друг от друга по форме, размеру и расположению в клетке. Например, спора у столбнячной палочки круглая, расположена на конце (терминально) и диаметр ее больше диаметра тела бацилл (см. рис. 17), а споры возбудителя сибирской язвы располагаются центрально, имеют овальную форму и диаметр их не превышает поперечника микробной клетки (см. рис. 97). Субтерминальное (ближе к одному концу) расположение споры характерно для возбудителей газовой гангрены, ботулизма.
Процесс спорообразования происходит у бактерий в относительно короткий срок (примерно в течение 24 часов). Сущность процесса заключается в том, что содержимое микробной клетки постепенно уплотняется и, концентрируясь в одном месте, покрывается плотной оболочкой. Постепенно вегетативная часть бактериальной клетки отмирает. Оболочка споры состоит из двух слоев: наружного и внутреннего. Наружный слой трудно проницаем для воды и различных веществ, из внутреннего при прорастании споры образуется клеточная оболочка бактерий. Попав в условия, благоприятные для развития (наличие необходимой питательной среды, влажности, температуры), споры быстро прорастают, превращаются в вегетативные формы. При этом оболочка споры сначала разбухает, а потом растворяется или разрывается, благодаря действию ферментов и из нее выходит бактерийный проросток, одетый в тонкую оболочку и превращающийся затем в вегетативную клетку.
Процесс прорастания спор занимает обычно 4-5 часов. Малая проницаемость оболочки спор является причиной того, что при обычных методах окраски они остаются бесцветными. Чтобы их окрасить, нужно применить энергичные воздействия, приводящие к разрыхлению оболочки. Химический состав споры характеризуется малым количеством свободной воды и большим содержанием липоидов, что в значительной степени обусловливает устойчивость спор к воздействию ряда неблагоприятных физических и химических факторов. Например, температура 100° не убивает споры; для их уничтожения необходимо воздействие более высоких температур. Низкие температуры и высушивание споры выдерживают в течение многих лет. Спорообразование характерно для бацилл, среди кокковых форм оно встречается редко (у мочевой сарципы, энтерококка).
Жгутики. Все бактерии подразделяются на подвижные и неподвижные. Среди подвижных встречаются ползающие и плавающие. Ползающие бактерии медленно передвигаются (ползут) по опорной поверхности в результате волнообразных сокращений их тела (например, Myxobacterium). Плавающие бактерии свободно передвигаются в жидкой среде при помощи жгутиков. Жгутики - это тончайшие, эластические извитые нити, начинающиеся от базальных гранул в цитоплазме и выходящие наружу через оболочку. Их диаметр измеряется сотыми долями микрона (0,02-0,05 мк), а длина их иногда во много раз превышает размеры тела самого микроба. Жгутики - хрупкие образования и быстро отрываются от клеток при встряхивании, других механических воздействиях и обработке различными химическими веществами. Число и расположение жгутиков у различных микроорганизмов неодинаковы. В этом отношении подвижные бактерии разделяются на несколько типов (рис. 5).

1. Монотрихи - бактерии с одним жгутиком на конце (например, холерный вибрион).

Рис. 5. Жгутики у бактерий.

1. Лофотрихи - бактерии с пучком жгутиков на одном из полюсов клетки (например, Bact. faecalis alcaligenes).
2. Перитрихи - бактерии со жгутиками, расположенными вокруг всего тела микроба (например, бактерии тифо-паратифозной группы).

Жгутики настолько тонки, что их не удается видеть при обычной микроскопии препаратов с живыми или убитыми микробами. Обнаружить жгутики можно следующим образом:
а) при микроскопировании в затемненном поле зрения со специальным конденсором, создающим сильное боковое освещение, в приготовленной «висячей» или «раздавленной» капле (см. стр. 53).
б) в препарате с подвижными бактериями после специальной обработки протравой, например раствором танина. Этим достигается набухание жгутиков и увеличение их размера (диаметра). После окраски соответствующим красителем такого препарата жгутики становятся видимы при обычном микроскопировании.

Рис. 6. Жгутики под электронным микроскопом.

Рис. 7. Бахромки (реснички) под электронным микроскопом.

При электронной микроскопии (рис. 6) можно не только хорошо увидеть жгутики, но и ознакомиться с деталями их строения. Они имеют спиралевидную форму и винтообразное строение. Осевая нить жгутиков состоит из двух перевитых нитей, покрытых чехлом. В состав жгутиков входит особый белок - флагеллин, сокращением которого определяется интенсивность и характер движения бактерий. Наиболее быстрые и прямолинейные движения совершают монотрихи и лофотрихи. Например, холерный вибрион передвигается со скоростью 30 мк в секунду, что превосходит его размер в 30 раз. Перитрихам присущи менее энергичные и более беспорядочные движения. Характер движения бактерий зависит также от возраста и свойств культуры (молодые клетки двигаются более энергично), температуры (оптимальная температура способствует движению), наличия химических веществ и других факторов. При неблагоприятных условиях существования бактерии могут лишиться жгутиков, сохраняясь в таком состоянии в ряде последующих поколений. Поверхность тела у ряда бактерий покрыта многочисленными бахромками - ресничками, ворсинками (рис. 7). Роль бахромок в жизнедеятельности бактерий пока не выяснена. Полагают, что бахромками микробы прикрепляются к поверхности определенных субстратов и возможно принимают участие в питании бактериальной клетки.

СПИРОХЕТЫ

К группе спирохет относятся микроорганизмы, имеющие извитую форму и по своим биологическим свойствам занимающие промежуточное положение между бактериями и простейшими. Тело спирохет состоит из цитоплазмы, которая в виде спирали расположена вокруг центральной осевой нити, образуя первичные завитки. Изгибы осевой нити образуют вторичные завитки, число которых и форма характерны для различных видов спирохет. Они не имеют клеточной оболочки и компактного, оформленного ядра. Некоторые спирохеты имеют длинные тонкие жгуты, располагающиеся пучками по концам тела и видимые в электронном микроскопе. Спирохеты подвижны, что обусловливается сократимостью их цитоплазмы и эластичностью осевой нити. Различают вращательные, сгибательные и поступательные движения. Размножаются спирохеты путем простого поперечного деления, трудно культивируются на питательных средах. К патогенным спирохетам относятся возбудитель сифилиса - бледная спирохета, спирохета возвратного тифа (рис. 8 на вклейке) и лептоспиры, вызывающие у человека желтушный и безжелтушный лептоспирозы.

Рис. 8. Спирохеты возвратного тифа в крови.

РИККЕТСИИ

1. Тип а, или кокковидные риккетсии, в виде очень мелких овоидов или эллипсоидов («коккобациллы») диаметром около 0,5 мк, часто образующие диплоформы или цепочки.
2. Тип в, или палочковидные риккетсии, в виде нежных коротких палочек диаметром от 1 до 1,5 мк.
3. Тип с, или бациллярные (длинные палочковидные) риккетсии, в виде удлиненных и обычно изогнутых тонких палочек размером 3-4 мк.
4. Тип d, или нитевидные риккетсии, в виде длинных нередко гигантских причудливо изогнутых нитей, напоминающих крупные спириллы размером 10- 20-40 мк и больше.

Патогенные риккетсии вызывают заболевания у человека и животных, типичным представителем риккетсий является Rickettsia provaceki - возбудитель сыпного тифа.

Ряд инфекционных болезней человека, животных и растений, вызывается такими микробами, размеры которых исчисляются в миллимикронах. К вирусным заболеваниям относятся: оспа, бешенство, полиомиелит, грипп, корь и др. В настоящее время насчитывается более 500 вирусов, поражающих человека и животных.
Строение вирусов доступно изучению лишь при больших увеличениях электронного микроскопа. Форма их бывает круглой, палочковидной, кубоидалыюй и нитевидной. Размеры вирусов колеблются от 10 до 350 ммк. Наиболее крупные вирусы называются элементарными тельцами. Если их величина больше 0,2 мк, то они видимы в обычном, оптическом микроскопе с помощью иммерсионной системы. Элементарные тельца при оспе (размер их около 0,2 мк) могут быть обнаружены в оптическом микроскопе только при специальном методе обработки (метод Морозова).
По данным электронномикроскопических исследований, центральная часть вируса представляет собой нуклеиновую кислоту - нуклеоид, образование, напоминающее ядро, заключенное в оболочку - капсиду, состоящую из отдельных белковых субъединений - к а п с ом е р о в. Более сложно устроенные вирусы, кроме капсиды, имеют внешнюю оболочку, в состав которой входят углеводы, липиды. При некоторых вирусных инфекциях в клетках пораженных тканей обнаруживаются особые включения, строение которых и расположение всегда характерны для определенного вируса. Так, при бешенстве в цитоплазме нервных клеток головного мозга обнаруживаются включения в виде телец Бабеша - Негри, в цитоплазме клеток эпителия при оспе - тельца Гварниери и т. д. Величина внутриклеточных включений колеблется от 0,25 до 20-30 мк, форма их круглая и овальная, грушевидная, веретенообразная или серповидная. Располагаются они в цитоплазме или ядрах клеток, а иногда и в цитоплазме и ядре. Природа внутриклеточных включений точно не выяснена. Полагают, что они являются реактивными образованиями клеток, в которых скопляются вирусные частицы (колонии вирусов). Для обнаружения внутриклеточных образований, что имеет большое диагностическое значение, готовят мазки или срезы из ткани и окрашивают их специальными методами (по Морозову, по Туревичу, или по Муромцеву).

Микроорганизмы представлены доклеточными формами (вирусы – царство Vira) и клеточными формами (бактерии, архебактерии, грибы и простейшие). По новому высшему уровню в иерархии классификации среди клеточных форм жизни различают 3 домена (или «империи»): «Bacteria», «Archaea», «Eukarya»:

домен «Bacteria» - прокариоты, представленные настоящими бактериями (эубактериями);

домен «Archaea» -прокариоты, представленные архебактериями;

домен «Eukarya» -эукариоты, клетки которых имеют ядро с ядерной оболочкой и ядрышком, а цитоплазма состоит из высокоорганизованных органелл – митохондрий, аппарата Гольджи и др. Домен «Eukarya» включает царство Fungi (грибы); царство животных Animalia (включает простейшие – подцарство Protozoa); царство растений Plantae.

Домены включают царства, типы, классы, порядки, семейства, роды, виды. Одной из основных таксономических категорий является вид. Вид – это совокупность особей, объединенных по близким свойствам, но отличающихся от других представителей рода.

Совокупность однородных микроорганизмов, выделенных на питательной среде, характеризующихся сходными морфологическими, тинкториальными, культуральными, биохимическими и антигенными свойствами, называется чистой культурой.

Штамм – чистая культура микроорганизмов, выделенных из определенного источника и отличающихся от других представителей вида. Штамм более узкое понятие, чем вид или подвид. Близким к понятию штамма является понятие клона. Клон – совокупность потомков, выращенных из единой микробной клетки.

1.3. Строение и классификация бактерий (прокариот).

Решением Международного кодекса для бактерий рекомендованы следующие таксономические категории: класс, отдел, порядок, семейство, род, вид. Название вида соответствует бинарной номенклатуре, т.е. состоит из двух слов. Например, возбудитель дифтерии пишется как Corynebacterium diphtheriae, возбудитель менингита - Neisseria meningitides, возбудитель туберкулеза - Mycobacterium tuberculosis. Первое слово – название рода и пишется с прописной буквы, второе слово обозначает вид и пишется со строчной буквы.

Бактерии относятся к прокариотам, т.е. доядерным микроорганизмам, поскольку у них имеется примитивное ядро без оболочки, ядрышка, гистонов, а в цитоплазме отсутствуют высокоорганизованные органеллы (митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы и др.).

Согласно второму изданию (2001 г.) Руководства Берджи по систематической батериологии, бактерии делят на 2 домена: «Bacteria» и «Archaea». В домене «Bacteria» можно выделить следующие бактерии: 1) бактерии с тонкой клеточной стенкой – грамотрицательные; 2) бактерии с толстой клеточной стенкой – грамположительные; 3) бактерии без клеточной стенки (микоплазмы). Архебактерии не содержат пептидогликан в клеточной стенке. Термин «архебактерии» появился в 1977г. Это одна из древних форм жизни, на что указывает приставка «архее». Среди них нет возбудителей инфекционных заболеваний.

В домен «Bacteria» входят 22 типа, из которых медицинское значение имеют следующие:

Тип Proteobacteria

Класс Alphaproteobacteria. Роды: Rickettsia, Orientia, Ehrlichia, Bartonella, Brucella.

Класс Betaproteobacteria. Роды: Burkholderia, Alcaligenes, Bordetella, Neisseria, Kingella, Spirillum.

Класс Gammaproteobacteria. Роды: Francisella, Legionella, Coxiella, Pseudomonas, Moraxella, Acinetobacter, Vibrio, Enterobacter, Callimatobacterium, Citrobacter, Edwardsiella, Erwinia, Escherichia, Hafnia, Klebsiella, Morganella, Proteus, Providensia, Salmonella, Serracia, Shigella, Yersinia, Pasteurella.

Класс Deltaproteobacteria. Род Bilophila.

Класс Epsilonproteobacteria. Роды: Campylobacter, Helicobacter, Wolinella.

Тип Firmicutes (главным образом грапположительные)

Класс Clostridia. Роды: Clostridium, Sarcina, Peptostreptococcus, Eubacterium, Peptococcus, Veillonella.

Класс Mollicutes. Роды: Mycoplasma, Ureaplasma.

Класс Bacilli. Роды: Bacillus, Sporosarcina, Listeria, Staphylococcus, Gemella, Lactobacillus, Pediococcus, Aerococcus, Leuconostoc, Streptococcus, Lactococcus.

Тип Actinobacteria

Класс Actinobacteria. Роды: Actinomyces, Arcanodacterium, Mobiluncus, Micrococcus, Rothia, Stomatococcus, Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia, Propionibacterium, Bifidobacterium, Gardnerella.

Тип Clamydiae

Класс Clamydiae. Роды: Clamydia, Clamidophila.

Тип Spirochaetes

Класс Spirochaetes. Роды: Spirochaeta, Borrelia, Treponema, Leptospira.

Тип Bacteroidetes

Класс Bacteroidetes. Роды: Bacteroides, Porphyromonas, Prevotella.

Класс Flavobacteria. Роды: Flavobacterium.

Формы бактерий. Различают несколько основных форм бактерий – кокковидные, палочковидные, извитые и ветвящиеся, нитевидные.

Сферические формы, или кокки – шаровидные бактерии, которые по взаимному расположению делятся на микрококки, диплококки, стрептококки, тетракокки, сарцины и стафилококки.

Микрококки характеризуются одиночным, парным или беспорядочным расположением клеток. Они являются сапрофитами, обитателями воды, воздуха.

Диплококки делятся в одной плоскости и образуют парные кокки, соединенные по две особи. К диплококкам относятся: менингококк, гонококк, пневмококк.

Стрептококки делятся в одной плоскости и располагаются цепочками различной длины. Патогенные для человека стрептококки вызывают гнойно-воспалительные заболевания.

Тетракокки располагаются по четыре, т.к. делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Заболевания человека не вызывают.

Сарцины делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и выглядят в виде тюков по 8, 16 и более клеток. Они часто встречаются в воздухе и не являются возбудителями инфекционных заболеваний.

Стафилококки – гроздевидно расположенные кокки, делящиеся в различных плоскостях, вызывают гнойно-воспалительные заболевания у человека.

Палочковидные бактерии подразделяются на бактерии, бациллы и клостридии. К бактериям относятся такие палочковидные микроорганизмы, которые как правило не образуют спор (кишечная, брюшнотифозная, дизентерийные, дифтерийные, туберкулезные и др.). К бациллам (лат. вacillus – палочка) и клостридиям (лат.closter – веретено) принадлежат микробы, образующие споры (сибиреязвенная, столбнячная палочки и др.). По форме палочковидные бактерии бывают короткими (туляремийная, коклюшная, бруцеллезная), длинными (сибиреязвенная), с закругленными концами (большинство палочек), с заостренными концами (фузобактерии), с булавовидными утолщениями на концах (дифтерийная).

Извитые формы бактерий. К этой группе бактерий относятся вибрионы, спириллы, кампилобактерии, хеликобактерии, спирохеты.

Вибрионы – клетки, изгиб которых равен ¼ завитка спирали, имеющие вид запятой.Патогенным представителем является холерный вибрион – возбудитель холеры.

Спириллы – извитые формы бактерий, имеющие изгибы с одним или несколькими оборотами спирали. Из патогенных известен один вид Spirillum minor – возбудитель содоку – болезнь, передающаяся через укус крыс и других грызунов.

Кампилобактерии, хеликобактерии – имеют изгибы как у крыла летящей чайки. Кампилобактерии относятся к возбудителям зоонозных бактериальных инфекций с преимущественным поражением пищеварительного тракта. Хеликобактерии относятся к условно патогенным микроорганизмам, способным вызывать хроническое поражение слизистой желудка и двенадцатиперстной кишки.

Спирохеты представлены 3 родами патогенными для человека: трепонемы, боррелии, лептоспиры.

Трепонемы имеют вид тонких штопорообразно закрученных нитей с 8-12 равномерно мелкими завитками. Патогенным представителем является T. Pallidum – возбудитель сифилиса.

Боррелии в отличие от трепонемболее длинные, имеют по 3-8 крупных завитков. К ним относится возбудитель клещевого боррелиоза или болезни Лайма – B. Burgdorferi.

Лептоспиры имеют завитки неглубокие и частые – в виде закрученной веревки. Концы этих спирохет изогнуты наподобие крючков с утолщениями на концах. Патогенный представитель L interrogans вызывает лептоспироз.

Нитевидные (серобактерии, железобактерии – обитатели водоемов; актиномицеты – ветвящиеся, нитевидные или палочковидные грамположительные бактерии, как и грибы образуют мицелий). К ним относят бактерии родов коринебактерии, микобактерии, нокардия). Патогенные актиномицеты вызывают актиномикоз, нокардии – нокардиоз, микобактерии – туберкулез и лепру, коринебактерии – дифтерию.

Хламидии – облигатные внутриклеточные кокковидные грамотрицательные бактерии. У человека хламидии вызывают поражения глаз (трахома, конъюнктивит), урогенитального тракта, легких.

Микоплазмы – мелкие бактерии, из-за отсутствия клеточной стенки имеют разнообразную форму: кокковидную, нитевидную, колбовидную.

Бактериальную клетку окружает оболочка, состоящая из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Под оболочкой находится протоплазма, состоящая из цитоплазмы с включениями и ядра, называемого нуклеоидом. Имеются дополнительные структуры: капсула, микрокапсула, слизь, жгутики, пили. Некоторые бактерии в неблагоприятных условиях способны образовывать споры.

Клеточная стенка – прочная, упругая структура, придающая бактерии определенную форму, участвует в процессе деления клетки и транспорте метаболитов, имеет рецепторы для бактериофагов. В клеточной стенке грамположительных бактерий основным компонентом является многослойный пептидогликан (муреин) с которым ковалентно связаны тейхоевые кислоты. У грамотрицательных бактерий основным компонентом является двойной слой липидов. Внутренний слой наружной мембраны представлен фофолипидами, а в наружном слое расположен липополисахарид. Способность грамположительных бактерий при окраске по Грамму удерживать генциановый фиолетовый в комплексе с йодом (сине-фиолетовая окраска бактерий) связана со свойством многослойного пептидогликана взаимодействовать с красителем. Кроме этого, последующая обработка мазка бактерий спиртом вызывает суживание пор в пептидогликане и тем самым задерживает краситель в клеточной стенке. Грамотрицательные бактерии после воздействия спиртом утрачивают краситель, что обусловлено меньшим количеством пептидогликана в клеточной стенке, они обесцвечиваются спиртом и при обработке фуксином приобретают красный цвет. При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пенициллина и др образуются клетки с измененной шаровидной формой – протопласты -бактерии, полностью лишенные клеточной стенки. Бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой – сферопласты. Бактерии сферо- или протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные размножаться, называются L-формами (от названия института им. Д. Листера, где они впервые были изучены). L-формы могут возникать и в результате мутаций. L-формы могут образовывать многие возбудители инфекционных болезней.

Цитоплазматическая мембрана является динамической структурой с подвижными компонентами, поэтому ее представляют как мобильную текучую структуру. Она окружает наружную часть цитоплазмы бактерий и участвует в регуляции осмотического давления, транспорте веществ и энергетическом метаболизме клетки. При избыточном росте (по сравнению с ростом клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты – впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами.

Цитоплазма занимает основной объем бактериальной клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений и многочисленных мелких гранул – рибосом, ответственных за синтез белков. Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от эукариотических клеток (80S). Поэтому некоторые антибиотики, связываясь с рибосомами бактерий подавляют синтез бактериального белка, не влияя на синтез белка эукариотических клеток.

В цитоплазме имеются различные включения: гранулы волютина, липопротеидные тельца, гликоген, гранулеза, пигментные скопления, сера, кальций. Биологическое значение гранул волютина и липопротеиновых включений состоит в том, что они служат запасным питательным материалом и используются бактериями при недостатке питательных веществ. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки при окрашивании по Нейссеру.

Нуклеиод – эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо. Ядро у бактерий не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). В бактериальной клетке содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК.

Капсула, микрокапсула, слизь. При попадании в макроорганизм патогенные бактерии могут образовывать капсулы толщиной более 0,2мкм. Капсула – мощный слизистый слой вокруг клеточной стенки. Она выявляется при специальных методах окраски мазка по Бурри-Гинсу (сибиреязвенная палочка, клебсиелла, пневмококк). Капсула состоит из полисахаридов или полипептидов. Капсула препятствует фагоцитозу бактерий, она антигена: антитела против капсулы вызывают ее увеличение (реакция набухания капсулы). Многие бактерии образуют микрокапсулу – слизистое образование менее 0,2мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слизь – мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких внешних границ. Мукоидные экзополисахариды характерны для мукоидных штаммов синегнойной палочки, часто встречающихся в мокроте больных с кистозным фиброзом. Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания.

Споры. При попадании в неблагоприятные условия внешней среды (высушивание, дефицит питательных веществ) бактерии образуют споры. Спорообразование происходит во внешней среде (почва, питательные среды) и не наблюдаеся в тканях человека и животных. Попадая в благоприятные условия, споры прорастают и превращаются снова в вегетативные формы. Спорообразующие бактерии рода Bacillus, у которых размер споры не превышает диаметр клетки, называют бациллами. Спорообразующие бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, отчего они принимают форму веретена, называются клостридиями, например бактерии рода Clostridium. Споры кислотоустойчивы, поэтому по методу Ожешко окрашиваются в красный цвет, а вегетативная клетка – в синий. Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке – терминальное, т.е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное – ближе к концу палочки (у возбудителей ботулизма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы).

Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Это тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка. Жгутики состоят из белка – флагеллина, являющегося антигеном – так называемый Н – антиген. Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного вибриона до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии (перетрих) у кишечной палочки, протея и др. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки. Амфитрихи имеют по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки. Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии.

Ворсинки или пили (фимбрии) – нитевидные образования, более тонкие и короткие, чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина. Различают пили, ответственные за адгезию, т.е. за прикрепление бактерий к поражаемой клетке, а также пили, ответственные за питание, водно-солевой обмен и половые (F- пили), или конъюгационные.

17555 0

Бактерии являются прокариотами (рис. 1.2) и существенно отличаются от клеток растений и животных (эукариотов). Они относятся к одноклеточным организмам и состоят из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы, нуклеоида (обязательных компонентов бактериальной клетки). Некоторые бактерии могут иметь жгутики, капсулы, споры (необязательные компоненты бактериальной клетки).

Рис. 1.2. Комбинированное схематическое изображение прокариотической (бактериальной) клетки со жгутиками.
1 - гранулы полиоксимасляной кислоты; 2 - жировые капельки; 3 - включения серы; 4 - трубчатые тилакоиды; 5 - пластинчатые тилакоиды; 6 - пузырьки; 7 - хроматофоры; 8 - ядро (нуклеоид); 9 - рибосомы; 10 - цитоплазма; 11 - базальное тельце; 12 - жгутики; 13 - капсула; 14 - клеточная стенка; 15 - цитоплазматическая мембрана; 16 - мезосома; 17 - газовые вакуоли; 18 - ламеллярные структуры; 19 -гранулы полисахарида; 20 - гранулы полифосфата

Клеточная стенка

Клеточная стенка представляет собой внешнюю структуру бактерий толщиной 30-35 нм, главным компонентом которой является пептидогликан (муреин). Пептидогликан является структурным полимером, состоящим из чередующихся субъединиц N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидными связями (рис.
1.3).

Рис. 1.3. Схематическое изображение однослойной структуры пептидогликана

Параллельно расположенные полисахаридные (гликановые) цепи скреплены между собой поперечными пептидными мостиками (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Детальное строение структуры пептидогликана Светлые и черные короткие стрелки указывают связи, расщепляемые соответственно лизоцимом (мурамидазой) и специфической муроэндопептидазой

Полисахаридный каркас легко разрушается лизоцимом - антибиотиком животного происхождения. Пептидные связи являются мишенью для пенициллина, который ингибирует их синтез и препятствует формированию клеточной стенки. Количественное содержание пептидогликана влияет на способность бактерий окрашиваться по Граму. Бактерии, имеющие значительную толщину муреинового слоя (90-95%), стойко окрашиваются генцианвиолетом в сине-фиолетовый цвет и носят название грамположительных бактерий.

Грамотрицательные бактерии с тонким слоем пептидогликана (5-10%) в клеточной стенке после действия спирта утрачивают генцианвиолет и дополнительно окрашиваются фуксином в розовый цвет. Клеточные стенки у грамположительных и грамотрицательных прокариот резко различаются как по химическому составу (табл. 1.1), так и по ультраструктуре (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схематическое изображение клеточной стенки у грамположительных (а) и грамотрицательных (б) прокариот: 1 - цитоплазматическая мембрана; 2 - пептидогликан; 3 - периплазматическое пространство; 4 - наружная мембрана; 5 - ДНК

Кроме пептидогликана, в клеточной стенке грамположительных бактерий содержатся тейхоевые кислоты (полифосфатные соединения), в меньшем количестве - липиды, полисахариды, белки.

Таблица 1.1. Химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных прокариот

Грамотрицательные прокариоты имеют наружную мембрану, в состав которой входят липиды (22 %), белки, полисахариды, липопротеины.

Клеточная стенка у бактерий выполняет в основном формообразующую и защитную функции, обеспечивает ригидность, формирует капсулу, определяет способность клеток к адсорбции фагов.

Все бактерии, в зависимости от их отношения к окраске по Граму, делятся на грамположительные и грамотрицательные.

Методика окраски по Граму

1. На мазок кладут фильтровальную бумагу и наливают карболовый раствор генцианового фиолетового на 1-2 мин.
2. Снимают бумагу, сливают краситель и, не промывая мазок водой, наливают раствор Люголя на 1 мин.
3. Сливают раствор Люголя и обесцвечивают препарат в 96 %-м спирте в течение 30 сек.
4. Промывают водой.
5. Красят 1-2 мин водным раствором фуксина.
6. Промывают водой и высушивают.

В результате окраски грамположительные бактерии окрашиваются в фиолетовый цвет, грамотрицательные - в красный.

Причину различного отношения бактерий к окраске по Граму объясняют тем, что после обработки раствором Люголя образуется нерастворимый в спирте комплекс йода с генциановым фиолетовым. Этот комплекс у грамположительных бактерий, в связи со слабой проницаемостью их стенки, не может диффундировать, в то время как у грамотрицательных - легко удаляется при промывании их этанолом, а затем водой.

Бактерии, полностью лишенные клеточной стенки, называются протопластами, они имеют шаровидную форму, обладают способностью к делению, дыханию, синтезу белков, нуклеиновых кислот, ферментов. Протопласты являются неустойчивыми структурами, очень чувствительными к изменениям осмотического давления, механических воздействий и аэрации, не обладают способностью синтезировать составные части клеточной стенки, не подвергаются инфицированию вирусами бактерий (бактериофагами) и не обладают активной подвижностью.

Если под влиянием лизоцима и других факторов происходит частичное растворение клеточной стенки, то бактериальные клетки превращаются в сферические тела, получившие название сферопластов.

Под воздействием некоторых внешних факторов бактерии способны терять клеточную стенку, образуя L-формы (названы в честь института им. Д. Листера, где были впервые выделены); подобная трансформация может быть спонтанной (например, у хламидий) или индуцированной, например, под воздействием антибиотиков. Выделяют стабильные и нестабильные L-формы. Первые не способны к реверсии, а вторые реверсируют в исходные формы после удаления причинного фактора.

Цитоплазматическая мембрана

Цитоплазма бактериальной клетки ограничена от клеточной стенки тонкой полупроницаемой структурой толщиной 5-10 нм, называемой цитоплазматической мембраной (ЦПМ). ЦПМ состоит из двойного слоя фосфолипидов, пронизанных белковыми молекулами (рис. 1.6).

Рис.1.6. Строение плазматической мембраны Два слоя фосфолипидных молекул, обращенных гидрофобными полюсами друг к другу и покрытых двумя слоями молекул глобулярного белка.

С ЦПМ связаны многие ферменты и белки, участвующие в переносе питательных веществ, а также ферменты и переносчики электронов конечных стадий биологического окисления (дегидрогеназы, цитохром-ная система, АТФ-аза).

На ЦМП локализуются ферменты, катализирующие синтез пептидогликана, белков клеточной стенки, собственных структур. Мембрана является также местом превращения энергии при фотосинтезе.

Периплазматическое пространство

Периплазматическое пространство (периплазма) представляет собой зону между клеточной стенкой и ЦПМ. Толщина периплазмы составляет около 10 нм, объем зависит от условий среды и прежде всего от осмотических свойств раствора.

Периплазма может включать до 20 % всей находящейся в клетке воды, в ней локализуются некоторые ферменты (фосфатазы, пермеазы, нуклеазы и др.) и транспортные белки -переносчики соответствующих субстратов.

Цитоплазма

Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, составляет цитоплазму бактерий. Та часть цитоплазмы, которая имеет гомогенную коллоидную консистенцию и содержит растворимые РНК, ферменты, субстраты и продукты обмена веществ, обозначается как цитозоль. Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами: мезосомами, рибосомами, включениями, нуклеоидом, плазмидами.

Рибосомы - субмикроскопические рибонуклеопротеиновые гранулы диаметром 15-20 нм. В рибосомах находится примерно 80-85 % всей бактериальной РНК. Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70 S. Они построены из двух частиц: 30 S (малая субъединица) и 50 S (большая субъединица) (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Рибосома (а) и ее субчастицы - большая (б) и малая (в) Рибосомы служат местом синтеза белка.

Цитоплазматические включения

Нередко в цитоплазме бактерий обнаруживаются различные включения, которые образуются в процессе жизнедеятельности: капельки нейтральных липидов, воска, серы, гранулы гликогена, в-гидроксимасляной кислоты (особенно у рода Bacillus). Гликоген и в-гидроксимасляная кислота служат для бактерий запасным источником энергии.

У некоторых бактерий в цитоплазме находятся кристаллы белковой природы, обладающие ядовитым действием на насекомых.

Некоторые бактерии способны накапливать фосфорную кислоту в виде гранул полифосфата (зерна волютина, метахроматические зерна). Они играют роль фосфатных депо и выявляются в виде плотных образований в форме шара или эллипса, располагающихся в основном у полюсов клетки. Обычно на полюсах бывает по одной грануле.

Нуклеоид

Нуклеоид - ядерный аппарат бактерий. Представлен молекулой ДНК, соответствующей одной хромосоме. Она замкнута, располагается в ядерной вакуоле, не имеет ограничивающей от цитоплазмы мембраны.

С ДНК связано небольшое количество РНК и РНК-полимеразы. ДНК свернута вокруг центрального стержня, состоящего из РНК, и представляет собой высокоупорядоченную компактную структуру. Хромосомы большинства прокариот имеют молекулярную массу в пределах 1-3 х109, константу седиментации 1300-2000 S. Молекула ДНК включает 1,6х10 нуклеотидных пар. Различия в генетическом аппарате прокариотических и эукариотических клеток обусловливают его название: у первых - нуклеоид (образование, подобное ядру), в отличие от ядра у вторых.

В нуклеоиде бактерий содержится основная наследственная информация, которая реализуется в синтезе специфических белковых молекул. С ДНК бактериальной клетки связаны системы репликации, репарации, транскрипции и трансляции.

Нуклеоид в прокариотической клетке может быть выявлен в окрашенных препаратах с помощью светового или фазово-контрастного микроскопа.э

У многих бактерий в цитоплазме обнаружены внехромосомные генетические элементы - плазмиды. Они представляют собой замкнутые в кольца двухцепочечные ДНК, состоящие из 1500-40000 пар нуклеотидов и содержащие до 100 генов.

Капсула

Капсула - слизистый слой клеточной стенки бактерий, состоящий из полисахаридов или полипептидов. Микрокапсулу (толщиной менее 0,2 мкм) способны формировать большинство бактерий.

Жгутики

Жгутики выполняют роль органа движения, позволяющего бактериям передвигаться со скоростью 20-60 мкм/сек. Бактерии могут иметь один или несколько жгутиков, располагающихся по всей поверхности тела либо собранных в пучки у одного полюса, у разных полюсов. Толщина жгутиков в среднем составляет 10-30 нм, а длина достигает 10-20 мкм.

Основу жгутика составляет длинная спиральная нить (фибрилла), которая у поверхности клеточной стенки переходит в утолщенную изогнутую структуру - крюк и прикрепляется к базальной грануле, вмонтированной в клеточную стенку и ЦПМ (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схематическая модель базального конца жгутика Е. coli, основанная на электронных микрофотографиях выделенной органеллы

Базальные гранулы имеют диаметр около 40 нм и состоят из нескольких колец (одна пара - у грамположительных бактерий, четыре - у грамотрицательных прокариот). Удаление пептидогликанового слоя клеточной стенки ведет к потере способности бактерий к движению, хотя жгутики при этом остаются неповрежденными.

Жгутики почти полностью состоят из белка флагеллина с некоторым содержанием углеводов и РНК.

Споры

Некоторые бактерии в конце периода активного роста способны образовывать споры. Этому предшествует обеднение среды питательными веществами, изменение ее рН, накопление ядовитых продуктов метаболизма. Как правило, одна бактериальная клетка образует одну спору - локализация спор различна (центральная, терминальная, субтерминальная - рис. 1.9).

Рис. 1.9. Типичные формы спорообразующих клеток.

Если размеры спор не превышают поперечного размера палочковидной бактерии, то последняя называется бациллой. Когда диаметр споры больше - бактерии имеют форму веретена и носят название клостридий.

По химическому составу различие спор от вегетативных клеток состоит лишь в количественном содержании химических соединений. Споры содержат меньше воды и больше липидов.

В состоянии споры микроорганизмы метаболически неактивны, выдерживают высокую температуру (140-150°С) и воздействие химических дезинфицирующих веществ, длительно сохраняются в окружающей среде.

Попадая в питательную среду, споры прорастают в вегетативные клетки. Процесс прорастания спор включает три стадии: активации, начальной стадии и стадии роста. К активирующим агентам, нарушающим состояние покоя, относят повышенную температуру, кислую реакцию среды, механические повреждения и др. Спора начинает поглощать воду и с помощью гидролитических ферментов разрушает многие собственные структурные компоненты. После разрушения наружных слоев наступает период формирования вегетативной клетки с активацией биосинтеза, заканчивающейся делением клетки.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик