Морфология бактерий. Таксономия и морфология актиномицетов, спирохет, риккетсий, хламидий, микоплазм, L-форм бактерий.
Морфология микроорганизмов включает:
· форму;
· размеры;
· взаимное расположение особей в препарате;
· структурные компоненты (защитные ― спора, капсула и дополнительные ― жгутики, включения);
· тинкториальные свойства (способность воспринимать окраску простыми методами, по Граму, специальными методами и негативную).
Бактерии имеют определенную форму и размеры, которые выражаются в микрометрах (мкм). Они варьируют в широких пределах — от 0,1-0,2 мкм до 10-15 мкм в длине и от 0,1 мкм до 2,0-2,5 мкм в диаметре. Большая часть бактерий имеет размеры 0,5-0,8 мкм х 2-3 мкм.
Различают следующие основные формы бактерий:
· шаровидные (сферические), или кокковидные (от греч. kokkos — зерно);
· палочковидные (цилиндрические);
· извитые (спиралевидные);
· нитевидные.
Кокковидные патогенные бактерииобычно имеют форму правильного шара диаметром 1,0-1,5 мкм; некоторые — бобовидную, ланцетовидную, эллипсоидную форму. По характеру взаиморасположения образующихся после деления клеток кокки подразделяют на следующие группы:
1) микрококки (от лат. mikros — малый), делятся в одной плоскости, располагаются одиночно и беспорядочно, сапрофиты, патогенных для человека нет;
2) диплококки (от лат. diplos — двойной), деление происходит в одной плоскости с образованием пар клеток, имеющих либо бобовидную, либо ланцетовидную форму;
3) стрептококки (от греч. streptos — цепочка), деление клеток происходит в одной плоскости, но размножающиеся клетки сохраняют между собой связь и образуют различной длины цепочки, напоминающие нити бус;
4) стафилококки (от лат. staphyle — гроздь винограда), деление происходит в нескольких плоскостях, а образующиеся клетки располагаются скоплениями, напоминающими гроздья винограда;
5) тетракокки (от лат. tetra ― четыре), деление клеток происходит в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с образованием тетрад;
6) сарцины (от лат. sarcina — связка, тюк), деление клеток происходит в трех взаимно перпендикулярных плоскостях с образованием пакетов (тюков) из 8, 16, 32 и большего числа особей.
Палочковидные (цилиндрические) формы бактерий
Палочки бывают:
· длинными — более 3 мкм;
· короткими — 1,5-3,0 мкм;
· очень короткими — менее 1,0 мкм — (коккобактерии).
По диаметру их делят на тонкие (например, Mycobacterium tuberculosis — возбудитель туберкулеза) и толстые (например, Clostridium perfringens — возбудитель газовой гангрены).
Концы палочек могут быть:
· закругленными,
· заостренными,
· утолщенными,
· обрезанными;
· палочка может иметь овоидную (яйцевидную) форму (Yersinia pestis — возбудитель чумы).
По взаиморасположению палочковидные бактерии подразделяют на три группы
1) монобактерии — палочки располагаются одиночно и беспорядочно, сюда относится большинство палочковидных форм;
2) диплобактерии, располагающиеся попарно;
3) стрептобактерии ― бактерии, располагающиеся цепочкой.
Извитые (спиралевидные) бактериипо количеству и характеру завитков, а также по диаметру клеток подразделяют на три группы:
1) вибрионы (от греч. vibrio — извиваюсь, изгибаюсь) имеют один изгиб, не превышающий четверти оборота спирали;
2) спириллы (от греч. speira — завиток) — клетки, имеющие большой диаметр и малое (2-3) число завитков;
3) спирохеты – имеют от 3 до 20-30 завитков.
Нитевидные формы бактерий
Различают два типа нитевидных бактерий:
· образующие временные нити;
· образующие постоянные нити.
Временные нити образуют палочковидные бактерии при нарушении условий их роста или регуляции клеточного деления. При восстановлении механизма регуляции деления и нормальных условий роста эти бактерии восстанавливают обычные для них размеры.
Структура прокариотной клетки(рис. 1)
Рисунок 1. Структура прокариотной клетки
Облигатные органоиды:
· клеточная стенка;
· цитоплазматическая мембрана;
· нуклеоид;
· рибосомы;
· мезосомы.
Факультативные органоиды
· пили (ворсинки, реснички);
· жгутики;
· капсула;
· спора;
· плазмиды;
· включения.
Цитоплазматическая мембрана ограничивает протопласт, располагаясь непосредственно под клеточной стенкой. Это сложно организованная структура, состоящая из двойного фосфолипидного слоя, пронизанного белками-глобулинами.
Функции цитоплазматической мембраны:
· метаболическая (содержит большое количество ферментов, осуществляющих все виды обменных процессов);
· регуляция осмотического давления, т. к. она полупроницаема;
· выделительная (экзоферментов, токсинов, других БАВ и продуктов метаболизма);
· энергетическая (транспорт электронов у аэробов);
· синтетическая (синтез компонентов клеточной стенки, в т. ч. и основных – пептидогликана, тейхоевых кислот, ЛПС, фосфолипидов;
· ее инвагинаты образует мезосомы (эквивалентны митохондриям эукариот);
· в цитоплазматической мембране находятся центры роста, от которых образуется перегородка при делении клеток и спорообразовании.
Клеточная стенка бактерий – это биополимер сложного химического состава, который покрывает всю поверхность бактериальной клетки. Структура и химический состав этого биополимара отличается у различных бактерий (рис. 2).
В конце XIX в. датским ученым Грамом была предложена дифференциальная окраска, благодаря которой бактерии были разделены на две группы, названные грамположительными и грамотрицательными.
Грамположительные бактерии сравнительно прочно удерживают анилиновые красители и не обесцвечиваются спиртом, поэтому они окрашиваются генцианвиолетом в фиолетовый цвет. Грамотрицательные бактерии обесцвечиваются спиртом и докрашиваются водным раствором фуксина в розовый цвет.
Основу клеточной стенки всех бактерий составляет пептидогликан. Он состоит из параллельных полисахаридных цепей (N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты). У грамположительных бактерий пептидогликан связан с тейхоевыми и липотейхоевыми кислотами и имеет многослойную структуру. Тейхоевые кислоты пронизывают пептидогликан насквозь или находятся на его поверхности. Липотейхоевые кислоты закреплены в цитоплазматической мембране. Они также пронизывают пептидогликан или располагаются между ним и мембраной.
У грамотрицательных бактерий пептидогликан однослоен и покрыт наружной мембраной с мозаичным строением.
В ее состав входит липопротеин. Он покрыт пластинчатой мембрамоподобной структурой, состоящей из фосфолипидов, липополисахарида (ЛПС) и белков. Наружная мембрана пронизана белками-поринами, которые выполняют функцию транспортных каналов.
Рисунок 2. Схема строения клеточной стенки грамположительного и грамотрицательного микроорганизма
Особое значение имеет ЛПС, содержащийся в значительном количестве в составе КС грамотрицательных 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. ЛПС обладает антигенными и токсическими свойствами, поэтому его часто называют эндотоксином.
У грамотрицательных бактерий между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной расположено периплазматическое пространство, заполненное гидролитическими ферментами.
Функции клеточной стенки:
· формообразующая;
· защитная (механическая защита);
· поддержание осмотической резистентности клетки;
· трофическая – участие в периферическом метаболизме;
· обуславливает антигенные свойства бактериальной клетки (с ней связаны оболочечные поверхностные антигены);
· токсичность (связана с липополисахаридом клеточной стенки);
· рецепторная функция – несет на себе специфические рецепторы к бактериофагам, цинам, антибиотикам и др.;
· тинкториальные свойства – окраска по Граму.
Грамхарактеристика основных форм бактерий:
· шарообразные формы бактерий (кокки) ― грамположительны (Гр+), за исключением гонококка, менингококка и катарального микрококка;
· цилиндрические формы: спорообразующие палочки ― бациллы и клостридии ― Гр+;
· неспорообразующие (собственно бактерии) ― грамотрицательны (Гр-), за исключением актиномицетной линии бактерий. В последнюю входят актиномицеты, коринебактерии и микобактерии.
· актиномикотическая друза окрашивается по Граму смешанно: аморфный центр ― Гр+, периферия ― Гр-;
· извитые формы (вибрионы, спириллы, спирохеты) ― Гр-;
· риккетсии, хламидии ― Гр-;
· микроорганизмы с дефектами или не имеющие клеточной стенки ― Гр-.
Капсула
Капсула служит внешним покровом бактерий. Различают:
· микрокапсулу (имеет толщину менее 0,2 мкм и выявляется при электронной микроскопии);
· капсулу (толщина более 0,2 мкм, она четко обнаруживается под световым микроскопом после негативного окрашивания).
Капсула представляет собой слизистый слой, связанный с клеточной стенкой.
По химическому составу различают капсулы:
· состоящие из полисахаридов;
· полипептидные капсулы.
Функции капсулы:
· защита от иммунных факторов организма (фагоцитоза и антител);
· вирулентность;
· обуславливает прикрепление клеток к поверхностям, обеспечивая адгезию и колонизацию;
· антигенная структура (типовая антигенная специфичность);
· вязкость и защита микроорганизмов от высыхания;
· запас питательных веществ;
· является осмотическим барьером;
· обуславливает связь между клетками в колониях;
· препятствует прикреплению фагов к бактериальной клетке.
Жгутики являются органом движения бактерий. Представляют собой тонкие длинные нитевидные белковые образования диаметром 12-30 нм и длиной от 9 до 80 мкм. Состоят из белка (флагеллина), который обладает сократительной способностью.
По характеру расположения жгутиков и их количеству бактерии делят на следующие группы:
· атрихи – не имеют жгутиков;
· монотрихи — один полярно расположенный жгутик;
· лофотрихи — пучок жгутиков на одном конце;
· амфитрихи — пучки жгутиков на обоих концах клетки;
· перитрихи — множество жгутиков, расположенных вокруг клетки.
Рисунок 3. Строение жгутика бактерий
Жгутик состоит из трех компонентов (рис. 3):
· спиральной жгутиковой нити;
· крючка;
· базального тельца.
Базальное тельце состоит из центрального стержня, заключенного в систему особых колец.
У грамотрицательных бактерий их две пары: внешняя (кольца L и Р) и внутренняя (кольца S и М).
Кольца L и Р расположены внутри клеточной стенки (кольцо L — в ЛПС, а кольцо Р — в слое пептидогликана).
Внутренняя пара (кольца S и М) фиксирована на ЦМ, причем кольцо S располагается в периплазматическом пространстве, а кольцо М — на ЦМ.
Жгутики у грамположительных бактерий содержат только одну пару колец — S и М. Вращение жгутиков в клеточной стенке происходит из-за вращательного движения колец S и М относительно друг друга. Благодаря такому вращению происходит направленное движение бактерий.
Споры и спорообразование. Некоторые роды бактерий при неблагоприятных условиях образуют защитные формы — эндоспоры. Споры представляют собой покоящиеся клетки с крайне низкой метаболической активностью. Они обладают высокой устойчивостью к высушиванию, действию повышенной температуры и различных химических веществ.
В процессе спорообразования (споруляции) бактериальная клетка подвергается сложной перестройке.
Стадии споруляции:
1. Удвоение молекулы ДНК без последующего деления клетки. ДНК принимает вид фибриллярного тяжа, расположенного вдоль спорулирующей клетки.
2. Конденсация ядерного материала ― одной нити ДНК на одном из полюсов клетки. Образование септы (перегородки), отсекающей ~ 1/3 часть клетки от материнской. В образовании септы принимает участие мезосомы.
3. Инвагинация малой части в большую и образование предспоры.
4. Формирование кортикального слоя между слоями материнских мембран. В его образовании принимает участие пептидогликан, липиды, дипиколинат кальция и др. компоненты, обуславливающие исключительно высокую стойкость спор.
5. Синтез многочисленных наружных оболочек споры ― экзоспориума.
6. Превращение предспоры в зрелую спору.
Нуклеоид является эквивалентом ядра эукариот. Он лишен ядерной мембраны, не содержит хромосом, делится митозом. В нем содержится двунитевая молекула ДНК с молекулярной массой (2-3)х109, которая представляет собой замкнутую кольцевую структуру.
Наряду с нуклеоидом в цитоплазме могут находиться автономные кольцевые молекулы двунитевой ДНК с меньшей молекулярной массой – плазмиды.
Мезосомы являются инвагинатами (впячиваниями) цитоплазматической мембраны. Они располагаются в разных частях клетки. Имеют вид пузырьков, трубочек. Мезосомы связаны с нуклеоидом. Они участвуют в делении клетки и спорообразовании.