Морфология и цитология бактерий

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).

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

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).

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

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

Для изучения морфологии бактерий применяют такие методы, как микроскопия и окрашивание. Наблюдение за живыми бактериями происходит с помощью световых и электронных микроскопов в неокрашенных препаратах.

  • Морфологический. Под микроскопом рассматривают морфологию бактерии, ее подвижность, споры и способы размножения.
  • Культуральный. Исследование бактерии в питательных средах. Изучают ее рост, величину, цвет колонии и скорость размножения.
  • Физиологический. Рассматривают такие свойства бактерий, как реакция на температуру, на внешние раздражители, на кислород, их способность к сбраживанию, реагирование на различные среды.

Применение этих способов изучения позволяет установить вид микроорганизма и морфологию каждого из них. Это сложный и длительный процесс, занимающий много времени.

Способ окрашивания является наиболее точным и эффективным в распознании и изучении строения бактерий под микроскопом. Зачастую микробы в своей естественной среде невидны под микроскопом, а окрашивание позволяет не только изучить морфологию бактерии, а и правильно определить ее вид.

  • Простой. Применяют одну краску: фуксин либо метиленовую синюю.
  • Сложный. Этот способ чаще всего применяется для выявления возбудителя инфекции, включает в себя два и более красителя. Чаще на практике применяют метод окрашивания по Граму и по Цилю.
  • Дифференцированный. Для окрашивания жгутиков используют метод Бениньетти. Для индицирования капсул применяют метод Гинса.


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.

Классификация микроорганизмов

Многообразие форм, биохимическая нестабильность и простота в строении усложняют классификацию бактерий. До сих пор их классификация является предметом споров среди микробиологов.

  • их морфология;
  • типы питания;
  • источник энергии;
  • реакция на окрашивание;
  • разновидности форм.

Цитоплазматические включения

Цитоплазма бактериальной клетки ограничена от клеточной стенки тонкой полупроницаемой структурой толщиной 5-10 нм, называемой цитоплазматической мембраной (ЦПМ).

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.

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).

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.

Формы бактерий

При всем многообразии бактерий выделяют три основных формы: сферические, палочковидные и извитые.

Сферическая

Сферической формой обладают кокки. По тому, как располагаются клетки, разделяют на такие группы:

  • микрококки (маленькие) – каждая клетка отдельно;
  • диплококки (два) после деления клетки существуют парами;
  • стрептококки (цепочка) после деления образуют цепочку;
  • сарцины (связка) после деления образуют связку в трех направлениях;
  • стафилококки (гроздь) делятся во всех направлениях, образуя гроздь.

Палочковидные

Палочковидные делят на группы в зависимости от формы (правильная или неправильная), от размеров и по тому, как располагаются клетки. Расположение клеток под микроскопом выглядит хаотично, потому что после деления каждая клетка живет отдельно.

Их делят на такие группы:

  • Риккетсии. Внутриклеточные паразиты очень малых размеров (до 2,0 мкм). Их владельцами чаще всего являются клещи, блохи и вши, сами разносящие инфекцию. В зависимости от условий существования они обладают свойством изменять форму и размер.
  • Хламидии. Являются строгими (облигатными) грамотрицательными бактериями. Их относят к клеточным паразитам, имеющим свойство размножаться только внутри клетки. За пределами клетки они имеют округлую форму и неактивны.
  • Микоплазмы. Эта группа не имеет клеточной стенки и существует в различных формах.

Извитые

Виды, имеющие извитую форму, разделяют по количеству оборотов и по характеру витков. Вибрионы имеют слегка изогнутый вид, спириллы – несколько завитков правильной формы, спирохеты – большое количество мелких завитков.

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.

Строение клетки бактерий

Ультраструктура клетки изучается при помощи таких микроскопических методов:

  • светового;
  • люминесцентного;
  • сухого (когда между объективом и линзой есть воздух);
  • фазово-контрастного;
  • темнопольного.
  • интерференционного;
  • электронного.

Ультраструктура бактериальной клетки считается показателем ее уникальности в организационных процессах.

Нуклеоид

Нуклеоид является прототипом ядра и не содержит таких структур, свойственных эукариотам, как ядрышки, ядерная оболочка и гистоны. Он обладает свойством хранения и передачи генной информации, содержащейся в одной хромосоме, имеющей вид замкнутого кольца.

Цитоплазма

Цитоплазм представляет собой сложную систему, включающую в себя такие включения:

  • рибосомы (отвечают за синтез белков);
  • гранулы (содержат гликоген, полисахариды);
  • волютин (полифосфаты);
  • плазмиды (обладают свойством повышать устойчивость клетки).

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.

Рибосомы — субмикроскопические рибонуклеопротеиновые гранулы диаметром 15-20 нм. В рибосомах находится примерно 80-85 % всей бактериальной РНК. Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70 S.

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.

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.

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).

Базальные гранулы имеют диаметр около 40 нм и состоят из нескольких колец (одна пара — у грамположительных бактерий, четыре — у грамотрицательных прокариот).

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.

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.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Медицинский взгляд на еду
Adblock
detector