Морфология бактерий (прокариот)

Бактерии (греч. bakterion — палочка) — микроорганизмы с прокариотным типом строения. Преимущественно это одноклеточные организмы, однако существует немало форм, состоящих из многих клеток. Термин «прокариоты» равнозначен термину «бактерии».

Форма и размеры бактерий

По форме клеток бактерии подразделяются на три основные группы: шаровидные, или кокки, палочковидные и извитые (рис. 1).

Кокки (греч. kokkos — зерно, лат coccus — ягода). Имеют сферическую форму в виде правильного шара, эллипса, боба, ланцета. В зависимости от взаимного расположения клеток после деления различают: микрококки, или монококки, стафилококки, диплококки, стрептококки, тетракокки и сарцины.

Рис. 1. Основные формы бактерий

а — микрококки; б — диплококки и тетракокки; в — сарцины; г — стрептококки; д — стафилококки; е. ж — палочковидные бактерии; з — вибрионы; и — спириллы; к — спирохеты

Микрококки (лат. micrococcus — маленький) делятся в равных плоскостях и располагаются одиночно, парами или беспорядочно. Сапрофиты, обитают в почве, воде, воздухе. Например, Micrococcus luteus.

Стафилококки (греч. staphyle — виноградная гроздь) — кокки, делящиеся в различных плоскостях и располагающиеся несимметричными гроздями, иногда одиночно, парами, тетрадами. Сапрофиты и патогенные. Например, Staphylococcus aureus.

Диплококки (греч. diploos — двойной) делятся в одной плоскости, образуя попарно соединенные кокки. Например, Azotobacter chroococcum.

Стрептококки (греч. streptos — цепочка) — кокки, расположенные в виде цепочки, встречаются одиночные и парные клетки, иногда тетрады. Образуются при делении в одной плоскости. Сапрофиты и патогенные. Например, Streptococcus pyogenes.

Тетракокки (греч. tetra — четыре) — кокки, которые делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и располагаются по четыре.

Сарцины (лат. sarcio — связываю) — кокки, делящиеся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и образующие правильные пакеты по 8—16 клеток и более. Сапрофиты, встречаются в воздухе, почве, кишечнике животных и человека. Например, Sarcina ureae.

Палочковидные бактерии. Это самая многочисленная группа прокариот. Они имеют осевую симметрию и цилиндрическую форму тела с округлыми или заостренными концами. Палочковидные формы делят на две группы: неспоровые палочки — бактерии (Bacterium) и палочки, образующие споры, — бациллы (Bacillus). Палочки, у которых диаметр споры превышает ширину вегетативной клетки, принято называть клостридиями (Clostridium).

В зависимости от взаимного расположения клеток палочковидные бактерии подразделяют на одиночные и бессистемные скопления, диплобактерии и диплобациллы (располагающиеся попарно), а также стрептобактерии и стрептобациллы (формы, образующие длинные или короткие цепочки). Сапрофиты и патогенные виды. Например, Bacillus anthracis, Clostridium tetani.

К палочковидным формам также относят коринебактерии и фузобактерии.

Коринебактерии….греч. korync — булава) — прямые или изогнутые палочки с булавовидными утолщениями на концах. Сапрофиты, патогенны для животных и человека. Например, Corynebacterium pseudotuberculosis и др.

Фузобактерии — длинные, толстые, с заостренными концами палочки. Имеются патогенные виды — возбудитель некробактсриоза (Fusobacterium necrophorum).

Извитые бактерии. Обладают спиральной симметрией. К ним относятся вибрионы, спириллы и спирохеты.

Вибрионы (лат. vibrio — извиваюсь). Клетки вибрионов имеют цилиндрическую изогнутую форму, образуя 1/4—1/2 завитка спирали, и напоминают запятую. Сапрофиты и патогенные. Например, Vibrio cholerae.

Спириллы (лат, spira — изгиб) — бактерии, имеющие форму спирально извитых палочек с 4—6 витками. Обитают в пресной и морской воде. Преимущественно сапрофиты (Spirillum volutans); к патогенным видам относятся S. minus и кампилобактсры (Campylobacter fetus).

Спирохеты (spirochaeta; греч. speira — изгиб и chaite — длинные волосы) — прокариоты спирально извитой формы. У спирохет выявляется два типа витков: первичные — образованные изгибами протоплазматического цилиндра, и вторичные — представляющие изгибы всего тела. Спирохеты — эластичные спиралевидные длинные клетки, состоящие из осевой нити (аксистиля), цитоплазмы с рибосомами и включениями, нуклеоида, мезосом, цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Тонкая эластичная клеточная стенка состоит из наружной липопротеидной мембраны и несплошного слоя паптидогликана. Осевая нить растянута на всю длину клетки, выполняет локомоторную и опорную функции, содержит пучок из 2—150 аксиальных (опорных) фибрилл, состоящих из аминосахара кутина. Количество и величина фибрилл у разных видов неодинаковы. Протоплазматический цилиндр упакован спиралевидно и окружен аксиальными фибриллами, прикрепляющимися к дискам на его концах. Фибриллы заключены в перипласте (между цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой). Движение спирохет осуществляется за счет активного сокращения осевой нити и протоплазматического цилиндра; формы движения разнообразны: вращательное, поступательное, сгибательное.

Размножаются поперечным делением. В неблагоприятных условиях спирохеты могут переходить в цисту — укороченную и свернутую в спираль, окруженную прочной оболочкой клетку.

По морфологии (размерам, числу и форме завитков), количеству осевых фибрилл, характеру движения, типу биологического окисления, экологии, патогенности в пределах группы спирохет дифференцируют: спирохеты, кристиспиры, трепонемы, боррелии и лептоспиры.

Спирохеты и кристиспиры обитают в открытых водоемах, иле, сточных водах; для позвоночных непатогенны. Кристиспиры — гигантские прокариоты (28—150 мкм) спирально изогнутой формы с плоской зернистой килевидной мембраной (криста), идущей вдоль тела клетки. Число фибрилл более 100.

Трепономы — спиралевидно извитые эластичные бактерии, размер 0,1—0,5, 5—20 мкм; осевая нить состоит из 1 или 4 фибрилл; хорошо выражены равномерные или неравномерные завитки; подвижны. Типовой вид — Treponema pallidum.

Боррелии — извитые нитевидные бактерии, размер 0,2— 0,5 Х5—30 мкм; осевая нить состоит из 15—20 параллельных фибрилл.

Лептоспиры — спиралевидные бактерии диаметром 0,1—0,25 мкм и длиной 6—30 мкм, формирующие около 20 мелких, тесно расположенных первичных завитков и 1—2 вторичных, придающих клетке форму, букв Г, S, С. Осевая нить состоит из 2 фибрилл. Главный тип движения — вращательно-поступательный. Например, Leptospira interrogans.

Бактерии не видимы невооруженным глазом. Поэтому для их изучения используют световые и электронные микроскопы. Клетки бактерий измеряются в микрометрах (1 мкм =10" м), элементы тонкого строения — в нанометрах (1нм = 10 м). Предел разрешения светового микроскопа составляет 0,2 мкм, современных моделей электронных микроскопов — 0,15—0,3 нм. Средние размеры прокариот лежат в пределах 0,5—3 мкм. Наиболее стабильны кокчи — их размер 0,5—2 мкм. Палочковидные формы обычно длиной 2—10 и шириной 0,5—1 мкм, мелкие палочки соответственно 0,7—1,5 и 0,2—0,4 мкм.

В 1967 г. Адлер описал мини-клетки. Они примерно в 10 раз меньше исходных бактерий, не содержат хромосомную ДНК и имеют только плазмидную. Среди бактерий могут быть гиганты, достигающие в длину 125 мкм и более. Размеры спирохет 0,2—0,75 х 5—500 мкм.

2.2. Классификация и морфология бактерий

Классификация бактерий . 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 сифилиса пишется как Treponema pallidum . Первое слово - на-

звание рода и пишется с прописной буквы, второе слово обозначает вид и пишется со строчной буквы. При повторном упоминании вида родовое название сокращается до на­чальной буквы, например: Т. pallidum .

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

В старом Руководстве Берджи по систематичес­кой бактериологии бактерии делили по особен­ностям клеточной стенки бактерий на 4 отдела:Gracilicutes - эубактерии с тонкой клеточнойстенкой, грамотрицательные; Firmicutes - эубак­терии с толстой клеточной стенкой, грамположи-тельные; Tenericutes - эубактерии без клеточной стенки; Mendosicutes - архебактерии с дефектной клеточной стенкой.

Каждый отдел был разделен на секции, или группы, по окраске по Граму, форме клеток, потребности в кислороде, подвижности, особенностям метаболизма и питания.

Согласно 2-му изданию (2001 г.) Руководства Берджи, бактерии делят на 2 домена: «Bacteria» и «Archaea» (табл. 2.1).

Таблица. Характеристика доменов Bacteria и Archaea

*Среди тонкостенных грамотрицательных эубактерий различают:

сферические формы, или кокки (гонококки, менингококки, вейлонеллы);

извитые формы - спирохеты и спириллы;

палочковидные формы, включая риккетсии.

** К толстостенным грамположительным эубактериям относят:

сферические формы, или кокки (стафилококки, стрептококки, пневмококки);

палочковидные формы, а также актиномицеты (ветвящиеся, нитевидные бактерии), коринебактерии (булавовидные бак­терии), микобактерии и бифидобактерии (рис. 2.1).

Большинство грамотрицательных бакте­рий объединены в тип протеобактериий. ос­нованный на сходстве по рибосомной РНК «Proteobacteria» - по имени греческого бога Протеуса. принимавшего разнообразные об­лики). Они появились от общего фотосинте-тического предка.

Грамположительные бактерии, согласно изученным последовательностям рибосом­ной РНК, являются отдельной филогенети­ческой группой с двумя большими подот­делами - с высоким и низким соотноше­нием G + C (генетическое сходство). Как и протеобактерии, эта группа метаболически разнообразная.

В домен « Bacteria » входят 22 типа, из кото­ рых 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, Providencia, Salmonella, Serratia, Shigella, Yersinia, Pasteurella

Класс Deltaproteobacteria. Род: Bilophila

Класс Epsilonproteobacteria. Роды : Campylobacter, Helicobacter, Wolinella

Тип Firmicutes (главным образом грамполо ­ жительные )

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

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, Clamydophila

Тип Spirochaetes

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

Тип Bacteroidetes

Класс Bacteroidetes. Роды : Bacteroides, Porphyromonas, Prevotella

Класс Flavobacteria. Роды: Flavobacterium

Подразделение бактерий по особенностям строения клеточной стенки связано с воз­можной вариабельностью их окраски в тот или иной цвет по методу Грама. Согласно этому методу, предложенному в 1884 г. дат­ским ученым X. Грамом, в зависимости от результатов окраски бактерии делятся на грамположительные, окрашиваемые в сине-фиолетовый цвет, и грамотрицательные, кра­сящиеся в красный цвет. Однако оказалось, что бактерии с так называемым грамположи-тельным типом клеточной стенки (более тол­стой, чем у грамотрицательных бактерий), например, бактерии рода Mobiluncus и не­которые спорообразующие бактерии, вместо обычной грамположительной окраски име­ют грамотрицательную окраску. Поэтому для таксономии бактерий бульшую значимость, чем окраска по Граму, имеют особенности строения и химического состава клеточных стенок.

2.2.1. Формы бактерий

Различают несколько основных форм бак­терий (см. рис. 2.1) - кокковидные, палочко­видные, извитые и ветвящиеся, нитевидные формы бактерий.

Сферические формы, или кокки, - шаро­видные бактерии размером 0,5-1,0 мкм*, ко­торые по взаимному расположению делятся на микрококки, диплококки, стрептококки, тетракокки, сарцины и стафилококки.

Микрококки (от греч. micros - малый) - отдельно расположенные клетки.

Диплококки (от греч. diploos - двойной), или парные кокки, располагаются парами (пневмококк, гонококк, менингококк), так как клетки после деления не расходятся. Пневмококк (возбудитель пневмонии) име­ет с противоположных сторон ланцетовид­ную форму, а гонококк (возбудитель гонореи) и менингококк (возбудитель эпидемического менингита) имеют форму кофейных зерен, обращенных вогнутой поверхностью друг к другу.

Стрептококки (от греч. streptos - цепоч­ка) - клетки округлой или вытянутой формы, составляющие цепочку вследствие деления клеток в одной плоскости и сохранения связи между ними в месте деления.

Сарцины (от лат. sarcina - связка, тюк) рас­полагаются в виде пакетов из 8 и более кокков, так как они образуются при делении клетки в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Стафилококки (от греч. staphyle - виног­радная гроздь) - кокки, расположенные в виде грозди винограда в результате деления в разных плоскостях.

Палочковидные бактерии различаются по размерам, форме концов клетки и взаим­ному расположению клеток. Длина клеток варьирует от 1,0 до 10 мкм, толщина - от 0,5 до 2,0 мкм. Палочки могут быть правильной (кишечная палочка и др.) и неправильной (коринебактерии и др.) формы, в том числе ветвящиеся, например, у актиномицетов. К наиболее мелким палочковидным бактериям относятся риккетсии.

Концы палочек могут быть как бы обре­занными (сибиреязвенная бацилла), закруг­ленными (кишечная палочка), заостренны­ми (фузобактерии) или в виде утолщения. В последнем случае палочка похожа на булаву (коринебактерии дифтерии).

Слегка изогнутые палочки называются виб­рионами (холерный вибрион). Большинство па­лочковидных бактерий располагается беспоря­дочно, так как после деления клетки расходятся. Если после деления клетки остаются связанны-

ми общими фрагментами клеточной стенки и не расходятся, то они располагаются под углом друг к другу (коринебактерии дифтерии) или образуют цепочку (сибиреязвенная бацилла).

Извитые формы - спиралевидные бактерии, например спириллы, имеющие вид штопоро-образно извитых клеток. К патогенным спи­риллам относится возбудитель содоку (болезнь укуса крыс). К извитым также относятся кам-пилобактерии и хеликобактерии, имеющие из­гибы как у крыла летящей чайки; близки к ним и такие бактерии, как спирохеты. Спирохеты - тонкие, длинные, извитые

спиралевидной формы) бактерии, отличаю­щиеся от спирилл подвижностью, обуслов­ленной сгибательными изменениями клеток. Спирохеты состоят из наружной мембраны

клеточной стенки), окружающей протоплаз­матический цилиндр с цитоплазматической мембраной и аксиальной нитью (аксистиль). Ахсиальная нить находится под наружной мембраной клеточной стенки (в периплазме) и как бы закручивается вокруг протоплазма-тического цилиндра спирохеты, придавая ей винтообразную форму (первичные завитки спирохет). Аксиальная нить состоит из перип-лазматических фибрилл - аналогов жгутиков бактерий и представляет собой сократитель­ный белок флагеллин. Фибриллы прикрепле­ны к концам клетки (рис. 2.2) и направлены навстречу друг другу. Другой конец фибрилл свободен. Число и расположение фибрилл варьируют у разных видов. Фибриллы учас­твуют в передвижении спирохет, придавая клеткам вращательное, сгибательное и пос­тупательное движение. При этом спирохеты образуют петли, завитки, изгибы, которые названы вторичными завитками. Спирохеты

плохо воспринимают красители. Обычно их окрашивают по Романовскому-Гимзе или серебрением. В живом виде спирохеты ис­следуют с помощью фазово-контрастной или темнопольной микроскопии.

Спирохеты представлены 3 родами, пато­генными для человека: Treponema , Borrelia , Leptospira .

Трепонемы (род Treponema) имеют вид тон­ких штопорообразно закрученных нитей с 8-12 равномерными мелкими завитками. Вокруг протопласта трепонем расположе­ны 3-4 фибриллы (жгутики). В цитоплазме имеются цитоплазматические филаменты. Патогенными представителями являются Т. pallidum - возбудитель сифилиса, Т. pertenue - возбудитель тропической болезни - фрам-безии. Имеются и сапрофиты - обитатели полости рта человека, ила водоемов.

Боррелии (род Borrelia ), в отличие от трепо­нем, более длинные, имеют по 3-8 крупных завитков и 7-20 фибрилл. К ним относятся воз­будитель возвратного тифа (В. recurrentis ) и воз­будители болезни Лайма (В. burgdorferi и др.).

Лептоспиры (род Leptospira ) имеют завитки неглубокие и частые - в виде закрученной веревки. Концы этих спирохет изогнуты на­подобие крючков с утолщениями на концах. Образуя вторичные завитки, они приобрета­ют вид букв S или С; имеют 2 осевые нити (жгутики). Патогенный представитель L . in ­ terrogans вызывает лептоспироз при попада­нии в организм с водой или пищей, приводя к развитию кровоизлияний и желтухи.

нием в цитоплазме, а некоторые - в яд­ре инфицированных клеток. Обитают в чле­нистоногих (вшах, блохах, клещах) которые являются их хозяевами или переносчиками. Свое название риккетсии получили по име­ни X. Т. Риккетса - американского ученого, впервые описавшего одного из возбудителей (пятнистая лихорадка Скалистых гор). Форма и размер риккетсии могут меняться (клетки неправильной формы, нитевидные) в зависи­мости от условий роста. Структура риккетсии не отличается от таковой грамотрицательных бактерий.

Риккетсии обладают независимым от клет­ки хозяина метаболизмом, однако, возможно, они получают от клетки хозяина макроэр-гические соединения для своего размноже­ния. В мазках и тканях их окрашивают по Романовскому-Гимзе, по Маккиавелло- Здродовскому (риккетсии красного цвета, а инфицированные клетки - синего).

У человека риккетсии вызывают эпиде­мический сыпной тиф (Rickettsia prowazekii ), клещевой риккетсиоз (R . sibirica ), пятнистую лихорадку Скалистых гор (R . rickettsii ) и дру­гие риккетсиозы.

Элементарные тельца попадают в эпите­лиальную клетку путем эндоцитоза с форми­рованием внутриклеточной вакуоли. Внутри клеток они увеличиваются и превращаются в делящиеся ретикулярные тельца, образуя скопления в вакуолях (включения). Из ре­тикулярных телец образуются элементарные тельца, которые выходят из клеток путем эк-зоцитоза или лизиса клетки. Вышедшие из

клетки элементарные тельца вступают в но­вый цикл, инфицируя другие клетки (рис. 16.11.1). У человека хламидии вызывают по­ражения глаз (трахома, конъюнктивит), уро-генитального тракта, легких и др.

Актиномицеты - ветвящиеся, нитевидные или палочковидные грамположительные бак­терии. Свое название (от греч. actis - луч, mykes - гриб) они получили в связи с обра­зованием в пораженных тканях друз - гранул из плотно переплетенных нитей в виде лучей, отходящих от центра и заканчивающихся кол-бовидными утолщениями. Актиномицеты, как и грибы, образуют мицелий - нитевид­ные переплетающиеся клетки (гифы). Они формируют субстратный мицелий, обра­зующийся в результате врастания клеток в питательную среду, и воздушный, растущий на поверхности среды. Актиномицеты могут делиться путем фрагментации мицелия на клетки, похожие на палочковидные и кокко-видные бактерии. На воздушных гифах акти-номицетов образуются споры, служащие для размножения. Споры актиномицетов обычно не термостойки.

Общую филогенетическую ветвь с актино-мицетами образуют так называемые нокарди-оподобные (нокардиоформные) актиномице­ты- собирательная группа палочковидных, неправильной формы бактерий. Их отдельные представители образуют ветвящиеся формы. К ним относят бактерии родов Corynebacterium , Mycobacterium , Nocardianjxp . Нокардиоподобные актиномицеты отличаются наличием в кле­точной стенке Сахаров арабинозы, галактозы, а также миколовых кислот и больших коли­честв жирных кислот. Миколовые кислоты и липиды клеточных стенок обуславливают кис-лотоустойчивость бактерий, в частности ми-кобактерий туберкулеза и лепры (при окраске по Цилю-Нельсену они имеют красный цвет, а некислотоустойчивые бактерии и элементы ткани, мокроты - синий цвет).

Патогенные актиномицеты вызывают акти-номикоз, нокардии - нокардиоз, микобакте-рии - туберкулез и лепру, коринебактерии - дифтерию. Сапрофитные формы актиноми­цетов и нокардиеподобных актиномицетов широко распространены в почве, многие из них являются продуцентами антибиотиков.

Клеточная стенка - прочная, упругая структу­ра, придающая бактерии определенную форму и вместе с подлежащей цитоплазматической мем­браной «сдерживающая» высокое осмотическое давление в бактериальной клетке. Она участвует в процессе деления клетки и транспорте мета­болитов, имеет рецепторы для бактериофагов, бактериоцинов и различных веществ. Наиболее толстая клеточная стенка у грамположительных бактерий (рис. 2.4 и 2.5). Так, если толщина клеточной стенки грамотрицательных бактерий около 15-20 нм, то у грамположительных она может достигать 50 нм и более.

Микоплазмы - мелкие бактерии (0,15-1,0 мкм), окруженные только цитоплазматической мембра­ной. Они относятся к классу Mollicutes , содержат стеролы. Из-за отсутствия клеточной стенки мико­плазмы осмотически чувствительны. Имеют раз­нообразную форму: кокковидную, нитевидную, колбовидную. Эти формы видны при фазово-кон-трастной микроскопии чистых культур микоплазм. На плотной питательной среде микоплазмы обра­зуют колонии, напоминающие яичницу-глазунью: центральная непрозрачная часть, погруженная в среду, и просвечивающая периферия в виде круга.

Микоплазмы вызывают у человека атипич­ную пневмонию (Mycoplasma pneumoniae ) и поражения мочеполового тракта (М. homi - nis и др.). Микоплазмы вызывают заболева­ния не только у животных, но и у растений. Достаточно широко распространены и непа­тогенные представители.

2.2.2. Структура бактериальной клетки

Структура бактерий хорошо изучена с помо­щью электронной микроскопии целых клеток и их улыратонких срезов, а также других мето­дов. 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 (рис. 2.3). Некоторые бактерии в неблагоприятных усло­виях способны образовывать споры.

В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов, белков. Основным компонентом клеточной стенки этих бактерий является многослойный пептидогликан (му-реин, мукопептид), составляющий 40-90% массы клеточной стенки. С пептидогликаном клеточной стенки грамположительных бакте­рий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. teichos - стенка), молекулы которых представляют собой цепи из 8-50 остатков глицерола и рибитола, соединенных фосфат­ными мостиками. Форму и прочность бакте­риям придает жесткая волокнистая структура многослойного, с поперечными пептидными сшивками, пептидогликана.

Пептидогликан представлен параллельно расположенными молекулами гликана . со­стоящего из повторяющихся остатков N-аце-тилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кис­лоты, соединенных гликозидной связью. Эти связи разрывает лизоцим, являющийся аце-тилмурамидазой. Гликановые молекулы со­единены через N-ацетилмурамовую кислоту поперечной пептидной связью из четырех аминокислот (тетрапептида ). Отсюда и назва­ние этого полимера - пептидогликан.

Основу пептидной связи пептидогликана гра­мотрицательных бактерий составляют тетрапеп-тиды, состоящие из чередующихся L- и D-ами-нокислот, например: L-аланин - D-глутаминовая кислота - мезо-диаминопимелиновая кислота - D-аланин. У Е. coli (грамотрицательная бактерия) пептидные цепи соединены друг с другом через D-аланин одной цепи и мезо-диаминопимели-

новую кислоту - другой. Состав и строение пеп­тидной части пептидогликана грамотрицательных бактерий стабильны в отличие от пептидоглика­на грамположительных бактерий, аминокислоты которого могут отличаться по составу и после­довательности. Тетрапептиды пептидогликана у грамположительных бактерий соединены друг с другом полипептидными цепочками из 5 остатков

глицина (пентаглицина). Вместо мезо-диамино-пимелиновой кислоты они часто содержат лизин. Элементы гликана (ацетилглюкозамин и аце-тилмурамовая кислота) и аминокислоты тетра-пептида (мезо-диаминопимелиновая и D-глу-таминовая кислоты, D-аланин) являются отли­чительной особенностью бактерий, поскольку отсутствуют у животных и человека.

Способность грамположительных бактерий при окраске по Граму 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 (5-10 % массы клеточной стенки); они обесцвечиваются спиртом и при обработке фуксином или сафра­нином приобретают красный цвет.

В состав клеточной стенки грамотрица-тельных бактерий входит наружная мемб­рана, связанная посредством липопротеина с подлежащим слоем пептидогликана (рис. 2.4 и 2.6). Наружная мембрана при элект­ронной микроскопии ультратонких срезов бактерий имеет вид волнообразной трех­слойной структуры, сходной с внутренней мембраной, которую называют цитоплаз-матической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двой­ной) слой липидов.

Наружная мембрана является мозаичной структурой, представленной липополисахари-дами, фосфолипидами и белками. Внутренний слой ее представлен фосфолипидами, а в на­ружном слое расположен липополисахарид (ЛПС). Таким образом, наружная мембрана асимметрична. ЛПС наружной мембраны со­стоит из трех фрагментов:

липида А - консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицатель-ных бактерий;

ядра, или стержневой, коровой части (лат. core - ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры;

высоковариабельной О-специфической цепи полисахарида, образованной повторя­ющимися идентичными олигосахаридными последовательностями.

ЛПС «заякорен» в наружной мембране ли-пидом А, обуславливающим токсичность Л ПС и отождествляемым поэтому с эндотоксином. Разрушение бактерий антибиотиками при­водит к освобождению большого количества эндотоксина, что может вызвать у больного эндотоксический шок. От липида А отходит ядро, или стержневая часть ЛПС. Наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кето-дезоксиоктоновая кислота (З-деокси-О-ман-но-2-октулосоновая кислота). О-специфи­ческая цепь, отходящая от стержневой части молекулы ЛПС, обусловливает серогруппу, серовар (разновидность бактерий, выявляе­мая с помощью иммунной сыворотки) опре­деленного штамма бактерий. Таким образом, с понятием ЛПС связаны представления об О-антигене, по которому можно дифферен­цировать бактерии. Генетические изменения могут привести к дефектам, «укорочению» ЛПС бактерий и к появлению в результате этого «шероховатых» колоний R-форм.

Белки матрикса наружной мембраны про­низывают ее таким образом, что молекулы белка, называемые поринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы с от­носительной массой до 700 Да.

Между наружной и цитоплазматической мембраной находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты (протеазы, липазы, фосфатазы,

нуклеазы, бета-лактамазы), а также компо­ненты транспортных систем.

При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пеницил­лина, защитных факторов организма и других соединений образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой: протопласты - бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты - бактерии с частич­но сохранившейся клеточной стенкой. После удаления ингибитора клеточной стенки такие измененные бактерии могут реверсировать, т. е. приобретать полноценную клеточную стенку и восстанавливать исходную форму.

Бактерии сферо- или протопластного ти­па, утратившие способность к синтезу пеп-тидогликана 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. Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. Некоторые L-формы (нестабиль­ные) при удалении фактора, приведшего к изменениям бактерий, могут реверсировать, «возвращаясь» в исходную бактериальную клетку. L-формы могут образовывать многие возбудители инфекционных болезней.

Цитоплазматическая мембр ана при электрон­ной микроскопии ультратонких срезов пред­ставляет собой трехслойную мембрану (2 тем­ных слоя толщиной по 2,5 нм каждый разделе­ны светлым - промежуточным). По структуре (см. рис. 2.5 и 2.6) она похожа на плазмалемму клеток животных и состоит из двойного слоя липидов, главным образом фосфолипидов, с внедренными поверхностными, а также интег­ральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. Некоторые из них являются пермеазами, участвующими в транспорте веществ.

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 давле-

ния, транспорте веществ и энергетическом метаболизме клетки (за счет ферментов цепи переноса электронов, аденозинтрифосфатазы и др.).

При избыточном росте (по сравнению с рос­том клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты - впячива-ния в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами. Роль мезосом и внутрицитоплазматических мембран до конца не выяснена. Предполагают даже, что они являются артефактом, возника­ющим после приготовления (фиксации) пре­парата для электронной микроскопии. Тем не менее считают, что производные цитоплаз-матической мембраны участвуют в делении клетки, обеспечивая энергией синтез клеточ­ной стенки, принимают участие в секреции веществ, спорообразовании, т. е. в процессах с высокой затратой энергии.

Цитоплазма занимает основной объем бак­териальной клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включе­ний и многочисленных мелких гранул - ри­босом, ответственных за синтез (трансля­цию) белков.

Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от SOS-рибосом, характерных для эукариотических клеток. Поэтому некото­рые антибиотики, связываясь с рибосомами бактерий, подавляют синтез бактериального белка, не влияя на синтез белка эукарио­тических клеток. Рибосомы бактерий могут диссоциировать на две субъединицы - 50S и 30S. Рибосомные РНК (рРНК) - консер­вативные элементы бактерий («молекуляр­ные часы» эволюции). 16S рРНК входит в состав малой субъединицы рибосом, a 23S рРНК - в состав большой субъединицы ри­босом. Изучение 16S рРНК является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов.

В цитоплазме имеются различные включе­ния в виде гранул гликогена, полисахаридов, бета-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Они накапливаются при избытке питательных веществ в окружающей среде и

зыполняют роль запасных веществ для пита­ния и энергетических потребностей.

Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Толуидиновым синим или метиленовым голу­бым волютин окрашивается в красно-фиоле­товый цвет, а цитоплазма бактерии - в синий. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде ин­тенсивно прокрашивающихся полюсов клетки. Метахроматическое окрашивание волютина связано с высоким содержанием полимеризо-ванного неорганического полифосфата. При электронной микроскопии они имеют вид элек­тронно-плотных гранул размером 0,1-1,0 мкм.

Нуклеоид - эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. Ядро бактерий, в отличие от эукариот, не име­ет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, пред-ставленная замкнутой в кольцо молекулой ДHK При нарушении деления в ней может сходиться 4 и более хромосом. Нуклеоид выявляется в световом микроскопе после ок-раски специфическими для ДНК методами: по Фельгену или по Романовскому-Гимзе. На электронограммах ультратонких срезов бактерий нуклеоид имеет вид светлых зон с фибриллярными, нитевидными структурами ДHK, связанной определенными участками с

цитоплазматической мембраной или мезосо-

мой, участвующими в репликации хромосо­мы (см. рис. 2.5 и 2.6).

Кроме нуклеоида, представленного одной

хромосомой, в бактериальной клетке имеются

вне хромосомные факторы наследственности -

плазмиды (см. разд. 5.1.2.), представляющие

собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.

Капсула, микрокапсула, слизь . Капсула -

слизистая структура толщиной более 0,2 мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бак-терий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках-отпе-чатках из патологического материала. В чис-тых культурах бактерий капсула образуется

реже. Она выявляется при специальных ме­тодах окраски мазка по Бурри-Гинсу, созда­ющих негативное контрастирование веществ капсулы: тушь создает темный фон вокруг капсулы.

Капсула состоит из полисахаридов (эк-зополисахаридов), иногда из полипепти­дов; например, у сибиреязвенной бациллы она состоит из полимеров D-глутаминовой кислоты. Капсула гидрофильна, включает большое количество воды. Она препятству­ет фагоцитозу бактерий. Капсула антиген-на: антитела против капсулы вызывают ее увеличение (реакция набухан ия капсу лы).

Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование толщиной менее 0,2 мкм, выявляемое лишь при электронной микроско­пии. От капсулы следует отличать слизь - муко-идные экзополисахариды, не имеющие четких внешних границ. Слизь растворима в воде.

Мукоидные экзополисахариды характерны для мукоидных штаммов синегнойной палоч­ки, часто встречающихся в мокроте больных с кистозным фиброзом. Бактериальные эк­зополисахариды участвуют в адгезии (прили­пании к субстратам); их еще называют глико-

каликсом. Кроме синтеза экзополисахаридов бактериями, существует и другой механизм их образования: путем действия внеклеточных ферментов бактерий на дисахариды. В резуль­тате этого образуются декстраны и леваны.

Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания, так как, явля­ясь гидрофильными, хорошо связывают воду, препятствуют действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов.

Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоп-лазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка (рис. 2.7). Толщина жгутиков 12-20 нм, длина 3-15 мкм. Они со­стоят из 3 частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (1 пара дисков - у грамположительных и 2 пары - у грамотри-цательных бактерий). Дисками жгутики при­креплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем - ротором, вра­щающим жгутик. В качестве источника энер­гии используется разность протонных по­тенциалов на цитоплазматической мембране. Механизм вращения обеспечивает протонная АТФ-синтетаза. Скорость вращения жгути­ка может достигать 100 об/с. При наличии у бактерии нескольких жгутиков они начинают синхронно вращаться, сплетаясь в единый пу­чок, образующий своеобразный пропеллер.

Жгутики состоят из белка - флагеллина (от. flagellum - жгутик), являющегося антигеном - так называемый Н-антиген. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.

Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного виб­риона до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии (перитрих), 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 препаратов, напыленных тяжелы­ми металлами, или в световом микроскопе после обработки специальными методами, основанны­ми на протравливании и адсорбции различных

веществ, приводящих к увеличению толщины жгутиков (например, после серебрения).

Ворсинки, или пили (фимбрии) - нитевид­ные образования (рис. 2.7), более тонкие и короткие (3+10 нм х 0,3+10 мкм), чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина. Они обладают антигенной активностью. 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, пили.

Обычно пили многочисленны - несколько сотен на клетку. Однако половых пил ей обыч­но бывает 1-3 на клетку: они образуются так называемыми «мужскими» клетками-донора­ми, содержащими трансмиссивные плазмиды (F -, R -, Соl-плазмиды). Отличительной осо­бенностью половых пилей является их взаи­модействие с особыми «мужскими» сферичес­кими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях (рис. 2.7).

Споры - своеобразная форма покоящихся бактерий с грамположительным типом строе­ния клеточной стенки (рис. 2.8).

Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высуши­вание, дефицит питательных веществ и др.). Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора). Образование спор способствует сохранению вида и не являет- i ся способом размножения, как у грибов.

Спорообразуюшие бактерии рода Bacillus , у которых размер споры не превыша­ет диаметр клетки, называются бациллами. Спорообразующие бактерии, у которых раз­мер споры превышает диаметр клетки, отчего они принимают форму веретена, называют­ся клостридиями, например бактерии рода Clostridium (лат. Clostridium - веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля-Нельсена з красный, а вегетативная клетка - в синий.

Спорообразование, форма и расположение спор в клетке (вегетативной) являются ви­довым свойством бактерий, что позволяет отличать их друг от друга. 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).

Процесс спорообразованя (споруляция) прохо­дит ряд стадий, в течение которых часть цитоп­лазмы и хромосома бактериальной вегетатив­ной клетки отделяются, окружаясь врастающей цитоплазматической мембраной, - образуется проспора. Проспору окружают две цитоплазма-тические мембраны, между которыми формиру­ется толстый измененный пептидогликановый слой кортекса (коры). Изнутри он соприкаса­ется с клеточной стенкой споры, а снаружи - с внутренней оболочкой споры. Наружная обо­лочка споры образована вегетативной клеткой. Споры некоторых бактерий имеют дополни­тельный покров - экзоспориум. Таким образом формируется многослойная плохо проницаемая оболочка. Спорообразование сопровождается интенсивным потреблением проспорой, а затем и формирующейся оболочкой споры дипиколи-новой кислоты и ионов кальция. Спора приоб­ретает термоустойчивость, которую связывают с наличием в ней дипиколината кальция.

Спора долго может сохраняться из-за нали­чия многослойную оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизма. В почве, например, возбудители сибирской язвы и столбняка мо­гут сохраняться десятки лет.

В благоприятных условиях споры прораста­ют, проходя три последовательные стадии: ак-

тивацию, инициацию, вырастание. При этом из одной споры образуется одна бактерия. Активация- это готовность к прорастанию. При температуре 60-80 °С спора активируется для прорастания. Инициация прорастания длит­ся несколько минут. Стадия вырастания характе­ризуется быстрым ростом, сопровождающимся разрушением оболочки и выходом проростка.

Лекция № 5 Морфология и систематика микроорганизмов. Прокариоты (бактерии и актиномицеты).

1 Морфология и систематика микроорганизмов. Морфология микроорганизмов изучает их внешний вид, форму и особенности строения, способность к движению, спорообразованию, способы размножения. Морфологические признаки играют большую роль в распознавании и классификации микроорганизмов. С древнейших времен живой мир делили на два царства: царство растений и царство животных. Когда был открыт мир микроорганизмов, то их выделили в отдельное царство. Таким образом, до Х1Х века весь мир живых организмов делили на три царства. В начале в основу классификации микроорганизмов были положены морфологические признаки, так как больше о них человек ничего не знал. К концу Х1Х века было описано много видов; разные ученые, в основном ботаники, делили микроорганизмы на группы, принятые для классификации растений. В 1897 году для систематики микробов стали использовать, наряду с морфологическими, и физиологические признаки. Как выяснилось впоследствии, для научно обоснованной классификации одних каких-либо признаков бывает недостаточно. Поэтому используют комплекс признаков:

Морфологические (форма клеток, размеры, подвижность, размножение, спорообразование, окраска по Граму);

Культуральные (характер роста на жидких и плотных питательных средах);

Физиолого-биохимические (характер накапливаемых продуктов);

Генотипические (физико-химические свойства ДНК).

Геносистематика позволяет определить вид микроорганизмов не по сходству, а по родству. Установлено, что нуклеотидный состав суммарной ДНК в процессе развития микроорганизмов в разных условиях не изменяется. Идентичны по составу ДНК S- и R-формы. Обнаружены и такие микроорганизмы, которые имеют сходный нуклеотидный состав ДНК, хотя и относятся к разным систематическим группам: кишечные палочки и некоторые коринебактерии. Это указывает на то, что при систематике (таксономии) микробов следует учитывать разные признаки.

До недавнего времени все живые существа клеточного строения в зависимости от взаимоотношения ядра и органелл с цитоплазмой, состава клеточной стенки и других признаков делили на две группы (царства):

1.1 Прокариоты-доядерные (отнесены – организмы, не имеющие четко выраженного ядра, представленного молекулой ДНК в форме кольца; в состав клеточной стенки входит пептидогликан (муреин) и тейхоевые кислоты; рибосомы имеют константы седиментации 70; энергетические центры клетки находятся в мезосомах и отсутствуют органеллы).

1.2 Эукариоты-ядерные (с четко выраженным ядром, отделенным от цитоплазмы оболочкой; в клеточной стенке отсутствует пептидогликан и тейхоевые кислоты; рибосомы цитоплазмы крупнее; константа седиментации 80; энергетические процессы осуществляются в митохондриях; из органелл имеется комплекс Гольджи и др.).

В дальнейшем оказалось, что среди микроорганизмов есть и неклеточные формы-вирусы и поэтому выделили третье группу (царство) - вира.

Для обозначения микроорганизмов принята двойная (бинарная) номенклатура, которая включает в себя название рода и вида. Родовое название пишется с прописной буквы (заглавной), видовое (даже происходящее от фамилии)- со строчной (маленькой). Например, бациллу сибирской язвы называют Bacillus anthracis, кишечную палочку- Escherichia coli, аспергилл черный-Aspergillus niger.

Основной (низшей) таксономической единицей является вид. Виды объединяются в роды, роды - в семейства, семейства -в порядки, порядки - в классы, классы - в отделы, отделы - в царства.

Вид- это совокупность особей одного генотипа с явно выраженным фенотипическим сходством.

Культура - микроорганизмы, полученные от животного, человека, растения или субстрата внешней среды и выращенные на питательной среде. Чистые культуры состоят из особей одного вида (потомство, полученное из одной клетки - клон).

Штамм- культура одного и того же вида, выделенная из различных сред обитания и отличающиеся незначительными изменениями свойств. Например, кишечная палочка, выделенная из организма человека, крупного рогатого скота, водоемов, почвы, могут быть разными штаммами.

2 Прокариоты (бактерии и актиномицеты). Бактерии (прокариоты)-это большая группа микроорганизмов (около 1600 видов), большинство из которых одноклеточные. Форма и размеры бактерий. Основные формы бактерий: шаровидная, палочковидная и извитая. Шаровидные бактерии - кокки имеют обычную форму шара, встречаются уплощенные, овальной или бобовидной формы. Кокки могут быть в виде клеток одиночных - монококки (микрококки) или соединенных в различных сочетаниях: попарно - диплококки, по четыре клетки - тетракокки, в виде более или менее длинных цепочек - стрептококки, а также в виде скоплений кубической формы (в виде пакетов) из восьми клеток, расположенных в два яруса один над другим, - сарцины. Встречаются скопления неправильной формы, напоминающие грозди винограда, - стафилококки. Палочковидные бактерии могут быть одиночными или соединенными попарно - диплобактерии, цепочками по три-четыре и более клеток - стрептобактерии. Соотношения между длиной и толщиной палочек бывают самыми различными. Извитые, или изогнутые, бактерии различаются длиной, толщиной и степенью изогнутости. Палочки, слегка изогнутые в виде запятой, называют вибрионами, палочки с одним или несколькими завитками в виде штопора - спириллами, а тонкие палочки с многочисленными завитками - спирохетами. Благодаря использованию электронного микроскопа для изучения микроорганизмов в естественных природных субстратах были обнаружены бактерии, имеющие особую форму клеток: замкнутого или разомкнутого кольца (тороиды); с выростами (простеками); червеобразной формы - длинные с загнутыми очень тонкими концами; а также в виде шестиугольной звезды.

Размеры бактерий очень малы: от десятых долей микрометра (мкм) до нескольких микрометров. В среднем размер тела большинства бактерий 0,5-1 мкм, а средняя длина палочковидных бактерий - 2-5 мкм. Встречаются бак­терии, размеры которых значительно превышают среднюю величину, а некоторые находятся на грани видимости в обычных оптических микроскопах. Форма тела бактерий, как и их размеры, может изменяться в зависимости от возраста и условий роста. Однако при определенных, относительно стабильных условиях бактерии сохраняют присущие данному виду размеры и форму. Масса бактериальной клетки очень мала, приблизительно 4- 10- 1:! г.

Строение бактериальной клетки . Клетка прокариотных организмов, к которым относятся бактерии, обладает принципиальными особенностями ультраструктуры. Клеточная стенка (оболочка) - важный структурный элемент большинства бактерий. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 20% сухих веществ клетки. Она обладает эластичностью, служит механическим барьером между протопластом и окружающей средой, придает клетке определенную форму. В состав клеточной стенки входит специфическое для прокариотных клеток гетерополимерное соединение - пептидогликан (муреин), отсутству­ющий в клеточных стенках эукариотных организмов. По методу окраски, предложенному датским физиком X. Грамом (1884 г.), бактерии делятся на две группы: грамположительные и грамотрицателъные. Грамположительные клетки удерживают краску, а грамотрицателъные не удерживают ее, что обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных стенок. У грамположительных бактерий клеточные стенки более толстые, аморфные, в них содержится большое количество муреина (от 50 до 90% сухой массы клеточной стенки) и тейхоевые кис­лоты. Клеточные стенки грамотрицательных бактерий более тонкие, слоистые, в них содержится много липидов, мало муреина (5-10%) и отсутствуют тейхоевые кислоты.

Клеточная стенка бактерий часто бывает покрыта слизью. Слизистый слой может быть тонким, едва различимым, но может быть и значительным, может образовывать капсулу. Нередко по размеру капсула намного превышает бактериальную клетку. Ослизнение клеточных стенок иногда бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются в слизистые массы (зоогели), в которые вкраплены бактериальные клетки. Образуемые некоторыми бактериями слизистые вещества не удерживаются в виде компактной массы вокруг клеточной стенки, а диффундируют в окружающую среду. При быстром размножении в жидких субстратах слизеобразующие бактерии могут превратить их в сплошную слизистую массу. Такое явление наблюдается иногда в сахаристых экстрактах из свеклы при производстве сахара. За короткое время сахарный сироп может превратиться в тягучую слизистую массу. Ослизнению подвергаются мясо, колбасы, творог; наблюдается тягучесть молока, рассолов, квашеных овощей, пива, вина. Интенсивность слизеобразования и химический состав слизи зависят от вида бактерий и условий культивирования. Капсула обладает полезными свойствами, слизь предохраняет клетки от неблагоприятных условий - у многих бактерий в таких условиях усиливается слизеобразование. Капсула защищает клетку от механических повреждений и высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения фагов, антител, иногда она является источником запасных питательных ве­ществ. Цитоплазматическая мембрана отделяет от клеточной стенки содержимое клетки. Это обязательная структура любой клетки. При нарушении целостности цитоплазматической мембраны клетка теряет жизнеспособность. На долю цитоплазматической мембраны приходится 8-15% сухого вещества клетки. В мембране содержится до 70-90% липидов клетки, толщина ее 7-10 нм 1 . На срезах клеток в электронном микроскопе она видна в виде трехслойной струк­туры - одного липидного слоя и двух примыкающих к нему с обеих сторон белковых слоев. Цитоплазматическая мембрана местами впячивается внутрь клетки, образуя всевозможные мембранные структуры. В ней находятся различ­ные ферменты; она полупроницаема, играет важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой. Цитоплазма бактериальной клетки представляет собой полужидкую, вязкую, коллоидную систему. Местами она пронизана мембранными структурами - мезосомами, которые произошли от цитоплазматической мембраны и сохранили с ней связь. Мезосомы выполняют различные функции; в них и в связанной с ними цитоплазматической мембране имеются ферменты, участвующие в энергетических процессах - в снабжении клетки энергией. Хорошо развитые мезосомы обнаружены только у грамположительных бактерий, у грамотрицательных они развиты слабо и имеют более простое строение. В цитоплазме содержатся рибосомы, ядерный аппарат и различные включения. Рибосомы рассеяны в цитоплазме в виде гранул размером 20-30 нм; рибосомы состоят примерно на 60% из рибонуклеиновой кислоты (РНК) и на 40% из белка. Рибосомы ответственны за синтез белка клетки. В бактериальной клетке в зависимости от ее возраста и условий жизни может или быть 5-50 тыс. рибосом. Ядерный аппарат бактерий называют нуклеоидом. Электронная микроскопия ультратонких срезов клетки бактерий позволила установить, что носителем генетической информации клетки является молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК имеет форму двойной спиральной нити, замкнутой в кольцо; ее еще называют "бактериальная хромосома". Она расположена в определенном участке цитоплазмы, но не отделена от нее собственной мембраной.

Цитоплазматические включения бактериальной клетки разнообразны, в основном это запасные питательные вещества, которые откладываются в клетках, когда они развиваются в условиях избытка питательных веществ в среде, и потребляются, когда клетки попадают в условия голодания. В клетках бактерий откладываются полисахариды: гликоген, крахмалоподобное вещество гранулеза, которые используются в качестве источника углерода и энергии. Липиды обнаруживаются в клетках в виде гранул и капелек. Жир служит хорошим источником углерода и энергии. У многих бактерий накапливаются полифосфаты; они содержатся в волютиновых гранулах и используются клетками как источник фосфора и энергии. В клетках серных бактерий откладывается молекулярная сера.

Подвижность бактерий . Шаровидные бактерии, как правило, неподвижны. Палочковидные бактерии бывают как подвижные, так и неподвижные. Изогнутые и спиралевидные бактерии подвижны. Некоторые бактерии перемещаются путем скольжения. Движение большинства бактерий осуществляется с помощью жгутиков. Жгутики - это тонкие, спирально закрученные нити белковой природы, которые могут осуществлять вращательные движения. Длина жгутиков различна, а толщина так мала (10-20 нм), что в световой микроскоп их можно увидеть только после специальной обработки клетки. Наличие, число и расположение жгутиков - постоянные для вида признаки и имеют диагностическое значение. Бактерии с одним жгутиком на конце клетки получили название монотрихов; с пучком жгутиков - лофотрихов", с пучком жгутиков на обоих концах клетки - амфитрихов; бактерии, у которых жгутики находятся на всей поверхности клетки, называются перитрихами. Скорость передвижения бактерий велика: за секунду клетка со жгутиками может пройти расстояние в 20-50 раз больше, чем длина ее тела. При неблагоприятных условиях жизни, при старении клетки, при механическом воздействии подвижность может быть утрачена. Кроме жгутиков, на поверхности некоторых бактерий имеются в большом количестве нитевидные образования, значительно тоньше и короче, чем жгутики - фимбрии (или пили).

Размножение бактерий. Для прокариотных клеток характерно простое деление клетки надвое. Деление клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после деления нуклеоида. Палочковидные бактерии делятся попе­рек, шаровидные формы в разных плоскостях. В зависимости от ориентации плоскости деления и их числа возникают различные формы: одиночные кокки, парные, цепочки, в виде пакетов, гроздьев. Особенностью размножения бактерий является быстрота протекания процесса. Скорость деления зависит от вида бактерий, условий культивирования: некоторые виды делятся через каждые 15-20 мин, другие - через 5-10 ч. При таком делении число клеток бактерий за сутки достигает огромного количества. Это часто наблюдается на пищевых продуктах: быстрое скисание молока вследствие развития молочно-кислых бактерий, быстрая порча мяса и рыбы за счет развития гнилостных бактерий и т.д.

Спорообразование. Споры у бактерий образуются обычно при неблагоприятных условиях развития: при недостатке питательных веществ, изменении температуры, рН, при накоплении продуктов обмена выше определенного уровня. Способностью образовывать споры обладают в основном па­лочковидные бактерии. В каждой клетке образуется только одна спора (эндоспора).

Спорообразование - сложный процесс, в нем различают несколько стадий: сначала наблюдается перестройка генетического аппарата клетки, изменяются морфология нуклеоида. В клетке прекращается синтез ДНК. Ядерная ДНК вытягивается в виде нити, которая затем разделяется; часть ее концентрируется у одного из полюсов клетки. Эта часть клетки называется спорогенной зоной. В спорогенной зоне происходит уплотнение цитоплазмы, затем этот участок обособляется от остального клеточного содержимого перегородкой (септой). Отсеченный участок покрывается мембраной материнской клетки, образуется так называемая проспора. Проспора - это структура, располагающаяся внутри материнской клетки, от которой она отделена двумя мембранами: наружной и внутренней. Между мембранами формируется кортикальный слой (кортекс), сходный по химическому составу с клеточной стенкой вегетативной клетки. Помимо пептидогликана, в кортексе содержится дипиколиновая кислота (С 7 Н 8 О 4 Мg), которая отсутствует в вегетативных клетках. В дальнейшем по­верх проспоры образуется оболочка споры, состоящая из нескольких слоев. Число, толщина и строение слоев различны у разных видов бактерий. Поверхность наружной оболочки может быть гладкой либо с выростами разной длины и формы. Поверх оболочки споры нередко образуется еще тонкий покров, окружающий спору в виде чехла, - экзоспориум.

Споры имеют обычно круглую или овальную форму. Диаметр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, вследствие чего форма спороносящих клеток, изменяется. Клетка приобретает форму веретена (клостридиум ) , если спора расположена в ее центре, или форму барабанной палочки (плектридиум) , когда спора приближена к концу клетки.

После созревания споры материнская клетка отмирает, оболочка ее разрушается, и спора освобождается. Процесс образования споры протекает в течение нескольких часов.

Наличие у бактериальных спор плотной, труднопроницаемой оболочки, малое содержание в ней воды, большое количество липидов, а также наличие кальция и дипиколиновой кислоты обусловливают высокую устойчивость спор к факторам внешней среды. Споры могут находиться в жизнеспособном состоянии сотни и даже тысячи лет. Например, жизнеспособные споры выделены из трупов мамонтов и египетских мумий, возраст которых исчисляется тысячелетиями. Споры устойчивы к высокой температуре: в сухом состоянии они погибают после прогревания при 165-170°С в течение 1,5-2 ч, а при перегретом паре (в автоклаве) -- при 121°С в течение 15-30 мин.

В благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку; этот процесс обычно длится несколько часов.

Прорастающая спора начинает активно поглощать воду, активизируются ее ферменты, усиливаются биохимические процессы, приводящие к росту. Кортекс при прорастании споры превращается в клеточную стенку молодой вегетативной клетки; освобождаются во внешнюю среду дипиколиновая кислота и кальций. Внешняя оболочка споры разрывается, через разрывы выходит наружу "росток" новой клетки, из которого затем формируется вегетативная бактериальная клетка.

Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки. Знание факторов, способствующих образованию спор у бактерий, и факторов, которые вызывают их прорастание в вегетативные клетки, имеет значение в выборе способа обработки продуктов с целью предотвращения их микробной порчи.

Изложенные выше сведения характеризуют в основном так называемые истинные бактерии. Существуют и другие, более или менее отличающиеся от них, к которым относятся следующие.

Нитчатые (нитевидные бактерии). Это многоклеточные организмы в виде нитей различной длины, диаметром от 1 до 7 мкм, подвижных или прикрепленных к субстрату. В основном нити со слизистым чехлом. Они могут содержать окись магния или окислы железа. Живут в водоемах, встречаются в почве.

Миксобактерии. Это палочковидные бактерии, передвигаются путем скольжения. Они образуют плодовые тела - скопления клеток, заключенных в слизь. Клетки в плодовых телах переходят в покоящееся состояние - миксоспоры. Эти бактерии живут в почве, на различных растительных остатках.

Почкующиеся и стебельковые бактерии размножаются почкованием, образуют стебельки или то и другое вместе. Есть виды с выростами - простеками. Живут в почве и водоемах.

Актиномицеты. Бактерии имеют ветвистую форму. Одни - палочки слегка разветвленные (см. рис. 2, д), другие - в виде тонких ветвящихся нитей, образующих одноклеточный мицелий. Мицелиальные актиномицеты, называ­емые "лучистые грибки", размножаются спорами, развивающимися на воздушных ветвях мицелия. Актиномицеты бывают окрашены; они широко распространены в природе. Встречаются и на пищевых продуктах и могут вызвать их порчу. Продукт приобретает характерный землистый запах. Многие актиномицеты продуцируют антибиотики. Есть виды, патогенные для человека и животных.

Микоплазмы. Организмы без клеточной стенки, покрыты лишь трехслойной мембраной. Клетки очень мелкие, иногда ультрамикроскопических размеров (около 200 нм), плеоморфные (разнообразной формы) - от кокковидных до нитевидных. Некоторые вызывают заболевания человека, животных, растений.

Основы систематики бактерий Современные системы классификации бактерий по существу являются искусственными, объединяют бактерии в определенные группы на основе сходства их по комплексу морфологических, физиологических, биохимических и генотипических признаков.В этих целях используется руководство Берги по определению бактерий (1974 год, 8-е издание и 1984 г.- 9-е издание). По 8-му изданию все прокариоты делят на два отдела - цианобактерии и бактерии. Первый отдел - цианобактерии (синезеленые водоросли) - это фототрофные микроорганизмы. Второй отдел - бактерии. Этот отдел разделен на 19 групп. К 17-ой группе относят актиномицеты. По 9-му изданию царство прокариот подразделено на четыре отдела в зависимости от наличия или отсутствия клеточной стенки и ее химического состава: в первый отдел - тонкокожие, включены группы бактерий, грамотрицательные, фототрофные и цианобактерии; во 2-ой отдел - твердокожие, включены группы бактерий, относящиеся к окраске по Граму положительно; в третий отдел включены микоплазмы- бактерии, не имеющие клеточной стенки; в четвертый отдел включены метанобразующие и архебактерии(особая группа бактерий, обитающая в экстремальных условиях внешней среды и являющиеся одной из древнейших форм жизни).

а) Кокки . В процессе деления новые молодые клетки могут образовывать специфические скопления. По взаимному расположению клеток после деления кокки подразделяются на следующие морфологические группы (рис. 2.1):

1 – монококки – клетки располагающиеся по одной, изолированно друг от друга (Micrococcus roseus);

2 – диплококки, или парные кокки, – клетки, располагающиеся попарно или в коротких (4-6) цепочках (Leuconostoc mesenterioides, Neisseria gonorrhoeae);

3 – стрептококки – соединение отдельных кокков в виде цепочек (Streptococcus lactis);

4 – сарцины - группа кокков, клетки которых образуют плотно упакованные угловатые скопления, напоминающие кубики или перевязанные тюки (Sarcina flava, Sarcina ureae);

5 – стафилококки - неоформленные скопления кокков, (Staphilococcus aureus, Staph. epidermidis).

Однако среди кокков встречаются такие, которые не имеют форму правильных шаров. Так, возбудитель гонорреи имеет бобовидную форму, возбудитель скисания пива – Leuconostoc mesenterioides – вытянутую форму. Кроме того, необходимо отметить, что форма клеток многих бактерий может меняться в зависимости от их физиологического состояния.

Рис. 2.1. Бактерии. Шаровидные формы.

1 - микрококки; 2 - диплококки; 3 - стрептококки; 4 - сарцины;

5 - стафилококки.

б) Палочки. К. этой группе относятся микробы, имеющие форму цилиндрических клеток. Некоторые из них образуют эндоспоры (p. Bacillus, p. Clostridium ) и иногда в обиходе называются бациллами, не образующие эндоспор (p. Salmonella, p. Pseudomonas и др.) – бактериями. Палочки, подобно коккам, могут давать различные сочетания:

Рис. 2.2. Бактнрии палочктвидной формы.

Палочки, соединенные по две, носят название диплобацилл, или диплобактерий;

Палочки, соединенные в цепочку, образуют стрептобациллы, или

Стрептобактерии (рис.2.2).

У одних палочек концы закругленные, у других– прямые, у третьих –заостренные.

в) К третьей группе относятся бактерии, извитые в виде спирали. Среди них различают палочки, слегка изогнутые в виде запятой - вибрионы; спирально извитые микроорганизмы -спириллы и спирохеты (рис.2.3).

Рис. 2.3. Извитые формы.

1 - вибрион; 2 - спирилла; 3 - спирохеты

Размеры клеток

Размеры клетки определяют под микроскопом c помощью окулярной линейки (микрометра). У кокков измеряют диаметр, у других форм - длину и ширину клетки. Результаты измерений выражают в микрометрах (мкм). Для измерения лучше использовать живые, а не фиксированные клетки, так как фиксация и окраска может несколько изменить их размеры. Если клетки подвижны, препарат слегка подогревают или к капле исследуемой суспензии добавляют каплю 0,1%-ного водного раствора агар-агара.

В окуляр микроскопа вставляют окулярную линейку. Для этого вывинчивают глазную линзу окуляра, помещают на его диафрагму окулярную линейку и завинчивают линзу вновь. На столик микроскопа кладут препарат, фокусируют объект и определяют, скольким делениям линейки соответствует длина и ширина клетки при данном увеличении микроскопа. Чтобы результат был достоверным, измеряют не менее 10-20 клеток. Результаты вносят в таблицу.

Однако делениями окуляр-микрометра нельзя непосредственно измерить клетку, так как цена деления окулярной линейки зависит от используемого в каждом случае объектива. Поэтому необходимо определить цену деления окулярного микрометра для данного увеличения микроскопа и выразить ее в микрометрах. Это делают с помощью объективного микрометра.

Объективный микрометр (рис.) представляет собой металлическую пластинку с отверстием в центре, в которое вставлено стекло. На стекло нанесена линейка длиной 1 мм, которая разделена точно на 100 частей, так что одно деление ее соответствует 0,01 мм или 10 мкм.

Для определения цены деления окулярной линейки на столик микроскопа вместо препарата помещают объективный микрометр и вначале при малом увеличении фокусируют изображение линейки. Затем перемещают линейку объект-микрометра в центр поля зрения и только после этого меняют объектив на тот, при котором измеряли клетки. Перемещая столик микроскопа и поворачивая окуляр, устанавливают микрометры так, чтобы их шкалы были параллельны и одна перекрывала другую. Совмещают одно из делений шкалы окулярного и объективного микрометров и находят следующее их совмещение. Устанавливают, какую часть деления объективного микрометра составляет одно деление окулярной линейки, и умножают полученное число на 10. Таким образом, получают цену деления окулярного микрометра в микрометрах для данного увеличения микроскопа. Например, в два деления объективного микрометра, т. е. в 20 мкм, укладывается 9 делений окулярного микрометра, следовательно, одно деление окуляр-микрометра при данном увеличении микроскопа соответствует 2,22 мкм (рис. 2.4).

Зная, скольким делениям окулярной линейки соответствует длина и ширина изучаемого объекта, умножают цену деления окуляр-микрометра на эти числа. Полученные числа (длину и ширину клетки в мкм) вносят в таблицу.

Рис. 2.4. Объект-микрометр – а. Совмещение шкал окулярной линейки и шкалы объект-микрометра.

При сложных методах окраски микробов на один и тот же препарат воздействуют несколькими растворами. К сложным методам относится окраска по Граму, Циль-Нильсену, по Нейссеру и т. д. Используя такие методы окраски можно выявлять различные свойства бактерий. Окраска методом Грама позволяет дифференцировать бактерии с разным строением клеточной стенки.

ЗАНЯТИЕ № 1

ТЕМА: ОСНОВНЫЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ГРУППЫ МИКРООРГАНИЗМОВ. МОРФОЛОГИЯ И УЛЬТРАСТРУКТУРА БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ.

ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ

Формы и размеры истинных бактерий. Характеристика шарообразных, палочковидных и извитых форм истинных бактерий.

Структура бактерий. Основные отличия прокариотной клетки от эукариотной.

Клеточная стенка грамположительных и грамотрицательных бактерий.

Типы микроскопических препаратов. Техника приготовления фиксированных препаратов.

Техника микроскопии в световом микроскопе. Изучение морфологии микроорганизмов в электронном микроскопе.

Тинкториальные свойства микробов. Красители. Простые способы окраски фиксированных препаратов.

Принципы классификации патогенных прокариот (Берджи, 2001).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

1 Ознакомиться с организацией работы кафедры, оснащением и режимом работы бактериологической лаборатории.

2 Приготовить препараты-мазки стафилококка со скошенного агара, зафиксировать, окрасить водно-спиртовым раствором метиленового синего.

3 Изучить правила и технику иммерсионной микроскопии.

4 Приготовить мазки из смеси бульонных культур кишечной палочки, антракоида, сарцин, зафиксировать, окрасить водным раствором фуксина.

5 В демонстрационных препаратах изучить морфологию микроорганизмов :

(указать методы окраски микроскопических препаратов и особенности морфологии микроорганизмов – форму и расположение в препарате)

Формы и размеры истинных бактерий. Характеристика шарообразных, палочковидных и извитых форм истинных бактерий.

Микробиология – (от греч. micros-малый, bios-жизнь, logos-учение) – наука, изучающая строение, жизнедеятельность и экологию микроорганизмов – мельчайших форм живых организмов, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Микробиология изучает всех представителей микромира (бактерии, грибы, простейшие, вирусы). Микроорганизмы в зависимости от молекулярно-биологической организации подразделяют на прокариотов и эукариотов. Прокариоты (от греч. karion-ядро) – доядерные простейшие одноклеточные формы жизни, не имеющие ядерной мембраны и высокоорганизованных органелл. К ним относятся бактерии, актиномицеты и сине-зеленные водоросли. К эукариотам, имеющим оформленное ядро и высокоорганизованные органеллы относятся одноклеточные и многоклеточные организмы – простейшие, грибы, водоросли (кроме сине-зеленных).

Структура бактерий. Основные отличия прокариотной клетки от эукариотной.

По форме клеток собственно бактерии подразделяются на шаровидные, палочковидные и извитые. Шаровидные бактерии-кокки, имеют сферическую форму. Одни располагаются беспорядочно (микрококки), другие парами (диплококки), третьи – цепочками (стрептококки), четвертые в виде пакетов, состоящих из четырех (тетракокки) или восьми (сарцины) кокков. Кокки располагающиеся скоплениями напоминающими виноградную гроздь называют стафилококками. Палочковидные бактерии, имеющие цилиндрическую форму, различаются по форме клеток, размером. Извитые формы бактерии представлены изогнутыми палочками изгибы, которых имеют один или несколько оборотов спирали.

Клетка – универсальная структурная единица живой материи . Организация бактериальной клетки такова, что она позволяет ей координировать все процессы жизнедеятельности, за определенный срок удваивать свою биомассу и размножаться путем бинарного деления. В составе бактериальной (прокариотической) клетки можно выделить различные структуры:клеточная стенка (по химической структуре которых, различают грамположительные и грамотрицательные бактерии), периплазматическое пространство, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, нуклеоид (генетический материал), мезосома (у эукариотов митохондрии), включения, рибосомы, у некоторых бактерии – капсула, микрокапсула, жгутик, плазмида, донорная ворсинка, фимбрии (реснички), спора.

Клеточная стенка – прочная, упругая, структура, придающая бактерии определенную форму и вместе с подлежащей цитоплазматической мембраной, сдерживающая высокое осмотическое давление в клетке. Они участвуют в процессе деления и транспорте метаболитов. Клеточная стенка грамположительных бактерии имеет однородную структуру, пластичный слой, слой тонкий и ковалентно связан с ригидным слоем. Она значительно толще, чем у грамотрицательных – ее толщина 20-60 нм. Основную массу стенки составляет пептидогликан. Он представлен не 1-2 слоями, как у грамотрицательных бактерий, а 5-6. С пептидогликаном ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. teichos-стенка). Особенностью пептидогликанов грамположительных бактерии является то, что в них часто нет диаминопимелиновой кислоты. В клеточной стенке грамположительных бактерии содержится небольшое количество липидов, полисахаридов и белков. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий значительно тоньше, толщина составляет 14-18 нм. Основная особенность в том, что ригидный слой тонкий, представлен 1-2 слоями пептидогликана, в котором почти всегда имеется диаминопимелиновая кислота. В составе клеточной стенки содержится много липопротеинов, фосфолипидов, липополисахарид, больше белка, и, как правило, отсутствует тейхоевые кислоты. Пластичный слой клеточной стенки представляет сложную мозаику, образованную из липопротеинов, липополисахаридов и наружной мембраны. Нарушение синтеза, клеточной стенки лежит в основе L-трансформации бактерий. Она может быть обратимой и необратимой. Факторами, индуцирующими ее, являются различные антибиотики, угнетающие биосинтез клеточной стенки (пенициллин, циклосерин), ферменты (лизоцим, амидаза), антимикробные антитела, высокие концентрации некоторых аминокислот, особенно глицина и фенилаланина. L-трансформация является частной причиной перехода острых форм заболеваний в хронические и их обострений, и является одной из форм приспособления к неблагоприятным условиям существования. Протопласты – полное лишение клеточной, а частичное лишение – сферопласты.

Характеристика структурных элементов бактериальной клетки: цитоплазматической мембраны, капсулы, жгутиков, донорных ворсинок, фимбрий, или ресничек, спор – их химическая структура, биологическое значение для бактериальной клетки.

Цитоплазматическая мембрана (ЦМ) является исключительно полифункциональной структурой: воспринимает всю химическую информацию, поступающую в клетку из внешней среды, является основным осмотическим барьером: участвует в регуляции роста и клеточного деления бактерии, в процессах транспорта питательных веществ в клетку, участвует в синтезе компонентов клеточной стенки и др. На долю ЦМ приходится 10% сухого веса бактерий. Она содержит 25-40% фосфолипидов, образующих два слоя, 20-75% белков и до 6% углеводов. Цитоплазма бактерий представляет собой сложную коллоидную систему в ней нет эндоплазматического ретикулума и других цитоплазматических органелл, свойственных эукариотам, она не подвижна. В ней находятся нуклеоид, плазмиды, рибосомы, мезосомы, включения, гранулы гликогена, волютина. У разных биологических групп бактерий могут быть и другие внутрицитоплазматические включения метаболического происхождения. Между ЦМ и внутренним слоем пептидогликана находятся периплазматическое пространство, которое играет существенную роль во взаимодействии ЦМ и клеточной стенки, в нем содержится различные ферменты: по преимуществу фосфатазы, связывающие белки, олигосахариды и др. вещества.

У бактерий различают микрокапсулу, капсулу и слизистый слой. Они относятся к факторам патогенности (болезнетворности) бактериальной клетки, так как они сохраняют (защищают) его от защитных факторов организма человека и животных. Микрокапсула выявляется при электронной микроскопии в виде коротких мукополисахаридных фибрилл. Капсула представляет собой слизистый слой и служит внешним покровом бактерий, толщина ее более 0,2 мкм, она четко обнаруживается под микроскопом после окрашивания по способу Бурри-Гинса. В образовании капсулы принимает участие ЦМ.

Совместно с клеточной стенкой и ЦМ они образуют мощную оболочку бактерии, предохраняют от высыхания, несут для них запасные питательные вещества.

У бактерии органом движения являются жгутики, которые представляют собой тонкие длинные нитевидные белковые образования диаметром 12-30 нм и длиной от 6-9 до 80 мкм. Белок, из которого построены жгутики, получили название флагеллина.

По характеру расположение жгутиков и их количеству подвижные бактерии делят на 4 группы:

Монотрихи – один полярно расположенный жгутик.

Лофотрихи – пучок жгутиков на одном конце

Амфитрихи – пучки жгутиков на обоих концах клетки

Перитрихи – множество жгутиков, расположенных вокруг клетки.

Жгутик состоит из трех компонентов – спиральной жгутиковой нити, крючка и базального тельца. У бактерий, являющихся носителями конъюгативных плазмид, имеются длинные нитевидные структуры белковой природы, получившие название донорных ворсинок, или донорных пилей.

Фимбрии – короткие нити, в большом количестве окружающие бактериальную клетку, они прикреплены к клеточной стенке, но значительно короче и тоньше. С их помощью бактерии прикрепляются к чувствительным клеткам.

Некоторые роды бактерий при неблагоприятных для их существования условиях образуют защитные формы – споры. Споры представляют собой своеобразные покоящиеся клетки: у них низкая метаболическая активность, но они обладают высокой устойчивостью к высушиванию, действию повышенной температуры и различных химических веществ. Диаметр споры может не превышать диаметра вегетативной клетки или превышает его. Споры в клетке могут располагаться центрально, 7

субтерминально, терминально. В процессе спорообразования бактериальная клетка подвергается сложной перестройке. Сформировавшаяся эндоспора состоит из протопласта с нуклеоидом, стенки споры, кортекса, оболочки и экзоспория. У многих видов грамотрицательных бактерий, не образующих спор, существует особое приспособительное состояние, физиологически эквивалентное цистам, при котором такие бактерии не размножаются и сохраняют жизнеспособность и получили название некультивируемых форм бактерий (НФБ). НФБ обладают высокой устойчивостью во внешней среде.

Клеточная стенка грамположительных и грамотрицательных бактерий.

Окраска по методу Грама (модификация Синева). При окраске по Граму в клетках на уровне клеточной стенки идет образование комплекса генцианового фиолетового + йод. Этот комплекс не растворим в воде и слабо растворим в спирте. При обработке этанолом он проходит через клеточную оболочку грамотрицательных микроорганизмов и выводится, клетки становятся бесцветными, при докрашивании фуксином они приобретают красный цвет. Клеточная стенка грамположительных бактерий, благодаря присутствию большого количества пептидогликана и меньшему диаметру спор, способствует удержанию образовавшегося комплекса, и клетки сохраняют сине-фиолетовый цвет. Способность окрашиваться по Граму – достаточно видовой признак, иногда может зависеть от возраста клеток.

Типы микроскопических препаратов. Техника приготовления фиксированных препаратов.

Техника микроскопии в световом микроскопе. Изучение морфологии микроорганизмов в электронном микроскопе.

Микроскоп состоит из двух частей – оптической и механической. К оптической части относятся объективы, которые состоят из фронтальной и коррекционных линз, с их помощью достигается увеличение объекта и коррекция его оптического изображения. Объективы подразделяются на сухие и иммерсионные. Предельная разрешающая способность иммерсионного микроскопа 0,2 мкм. Общее увеличение микроскопа определяется произведением увеличения объектива на увеличение окуляра.

Порядок микроскопии препаратов с иммерсионным объективом:

На приготовленный и окрашенный мазок нанести небольшую каплю иммерсионного масла, поместить препарат на предметный столик.

Установить иммерсионный объектив 90.

Осторожно опустить тубус микроскопа до погружения объектива в каплю масла.

Установить ориентировочный фокус при помощи макрометрического винта.

Провести окончательную фокусировку препарата микрометрическим винтом. Нельзя допускать соприкосновение объектива с препаратом, возможна поломка препарата или фронтальной линзы. По окончании работы необходимо тряпочкой тщательно вытереть масло с иммерсионного объектива .

Темнопольная микроскопия основана на использовании эффекта Тиндаля (дифракция света при сильном боковом освещении взвешенных в жидкости мельчайших частиц). Для этого обычный конденсор в микроскопе заменяется на параболоид или кардиоид конденсор. Краевые лучи, выходящие из темнопольного конденсора, проходят в косом направлении, не попадают в объектив, в связи, с чем поле зрения остается темным. В объектив поступают отраженные от объектива лучи, образуя характерное изображение ярко светящихся контуров микробных клеток, находящихся в препарате на темном фоне.

Фазово-контрастная микроскопия основана на превращении изменений по фазе, возникающих при прохождении световой волны через прозрачные (фазовые) объекты, в изменения по амплитуде, в результате чего прозрачные объекты становятся видимыми в микроскоп. При этом достигается высокая контрастность изображения, которая может быть позитивной (темное изображение объекта в светлом поле зрения) или негативной (светлое изображение объекта на темном фоне).

Люминесцентная или флюоресцентная микроскопия основана на явлении фотолюминесценции (свечение объекта под влиянием света). Первичная (собственная) люминесценция наблюдается без предварительного окрашивания объекта, вторичная (наведенная) возникает после окраски препаратов люминесцирующими красителями – флюорохромами. Достоинствами этого метода микроскопии являются возможность исследования живых микроорганизмов и обнаруживания их в исследуемом материале в небольших концентрациях вследствие высокой степени контрастности.

Электронная микроскопия применяется для исследования объектов, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности светового микроскопа (вирусов, макромолекулярных структур и др. субмикроскопических структур), а также для изучения тонкого строения различных микроорганизмов. Основана на использовании вместо световых лучей, потока электронов, имеющего длину около 0,005 нм, т.е. почти в 100 000 раз короче волны видимого света. Высокая разрешающая способность электронного микроскопа (0,1-0,2 нм) позволяет получить полезные увеличения до 1 000 000 раз. Кроме приборов "просвечивающего" типа используют сканирующие электронные микроскопы, дающие рельефное изображение поверхности объекта.

Тинкториальные свойства микробов. Красители. Простые способы окраски фиксированных препаратов.

Для количественного учета, изучения морфологии, выявления спор, капсул, органоидов, включений мазок необходимо зафиксировать и окрасить. Мазок готовят на обезжиренном стекле, на который наносят небольшое количество воды. В этой капле эмульгируют исследуемый материал, который распределяют тонким слоем на поверхности около 2 см.. Если культура в жидкой среде, то его берут петлей или стерильной пипеткой и каплю наносят непосредственно на стекло (без воды). После этого мазок высушивают на воздухе и фиксируют. В процессе фиксации микробные клетки погибают, этим достигается безопасность работы с ними, что особенно важно для работы с патогенными микроорганизмами. Убитые микроорганизмы лучше воспринимают красители, чем живые. Кроме того, в фиксированном мазке клетки прикрепляются к стеклу и не смываются при последующей обработке.

Методы фиксации. Физический метод – фиксация мазка над пламене горелки или спиртовки в течение нескольких секунд мазком вверх. Химический метод – более мягкий. При этом мазок погружают в фиксатор на определенное время или жидкость наливают на мазок. В качестве фиксаторов используют: 1) этанол – 10-15 мин; 2) ацетон – 5 мин; 3) смесь Никифорова (этанол+эфир – 1:1) – 1015 мин; 4) метанол – 3 мин; 5) формалин (несколько секунд). После фиксации мазок можно окрашивать.

Окраску мазков производят простым или сложными методами . При простых методах мазок окрашивают каким либо одним красителем, используя красители анилинового ряда (кислые). Наливают краситель на фиксированный мазок на определенное время и смывают водой, высушивают и микроскопируют в иммерсионной системе. Сложные методы окраски применяют для изучения структуры клетки и дифференсации микроорганизмов при этом используют несколько красителей, в некоторых случаях спирты, кислоты.

Принципы классификации патогенных прокариот (Берджи, 2001).

Все микроорганизмы различаются друг от друга по многим признакам, и прежде всего по уровню организации геномов, наличию и составу белоксинтезирующих систем и клеточной стенки. В соответствии с этими признаками все известные живые существа делят на 4 царства: Эукариоты, эубактерии, архебактерии, вирусы и плазмиды. К прокариотам, объединяющим эубактерии и архебактерии, относятся бактерии, низкие водоросли, спирохеты, актиномицеты, риккетсии, микоплазмы. Простейшие, дрожжи и нитчатые грибы – эукариоты. Систематика занимается описанием видов организмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные классификационные единицы (таксоны). Основной таксономической единицей в биологии является вид. Последующие таксономические единицы: род, семейство, порядок и класс. Это обязательные категории. Подрод, подриба, триба, подсемейство подпорядок, подкласс – дополнительные категории. Согласно определителю Берги, царство прокариот в зависимости от характера их клеточных стенок разделено на 4 большие группы, или отдела.

1) Грациликуты или тонкокожие – к нему относятся грамположительные бактерии.

2) Фирмикуты или толстокожие – к нему относятся грамположительные бактерии.

3) Тенерикуты или нежнокожие – организмы, не имеющие клеточной стенки – микоплазмы.

4) Мендосикуты – бактерии, большинство из которых хотя и имеют клеточную стенку, но она не содержит пептидогликана – сюда относятся архебактерии.

По классификации Берги все прокариоты делятся на 17 частей. Для обозначения видов бактерий используют бинарную номенклатуру, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (пишется всегда со строчной буквы и состоит из одного слова).

Бактериологические, вирусологические лаборатории входят в состав санитарно-эпидемиологических станций (СЭС) и крупных больниц. В лабораториях СЭС выполняются бактериологические, вирусологические, серологические анализы материалов полученных от больных и контактирующих с ними лиц, обследуются бактерионосители и проводятся санитарно-микробиологические исследования воды, воздуха, почвы, пищевых продуктов и пр. В бактериологических и серологических лабораториях больниц проводятся диагностические исследования при кишечных и гнойных инфекциях (дифтерии, туберкулеза и др.), а также исследования по контролю за качеством дезинфекции и стерилизации. Диагностика особо опасных инфекций (чумы, холера, туляремия, бруцеллез, сибирская язва и др.) проводятся в специальных лабораториях. В вирусологических лабораториях проводятся диагностика заболеваний вызванных вирусами (грипп, корь, краснуха, клещевой энцефалит, полиомиелит и др.) хламидиями (орнитоз и др.) и риккетсиями (сыпной тиф, Ку-лихорадка и др.)

В каждой лаборатории предусмотрены следующие помещения:

1) бокс для работы с отдельными группами бактерий или вирусами в асептических условиях;

2) специально оборудованное помещение для стерилизации (автоклавная), для стерилизации питательных сред, посуды, обеззараживания отработанного инфицированного материала;

3) моечная, оборудованная для мытья посуды;

4) оборудованная комната для иммунологических (серологических) исследований;

5) помещение для приготовления питательных сред;

6) помещение для приготовления препаратов и посевов;

7) виварий с боксами для содержания лабораторных животных;

8) регистратура для приема, выдачи анализов.

Лаборатории оснащены следующими оборудованием: биологическими иммерсионными микроскопами, с дополнительными приспособлениями (осветитель, фазово-контрастное устройство, темнопольный конденсор и др.), люминесцентным микроскопом, термостатами, анаэростатами, приборами для стерилизации (автоклав, сушильный шкаф), рН-метрами, дистиллятором, центрифугами, весами аппаратурой для фильтрования, водяными банями, холодильниками, аппаратом для изготовления ватно-марлевых пробок, набором инструментов (бактериологические петли, шпатели, иглы, пинцеты и др.), лабораторной посудой (пробирки, колбы, чашки Петри, флаконы, ампулы, пипетки и др.). Все помещения лаборатории должны быть обеспечены вентиляцией, водопроводом, канализацией, электроэнергией. Стены должны быть окрашены масляной краской или покрыты кафельной плиткой, пол линолеум. В крупных лабораториях имеются термостатные комнаты для массового выращивания микроорганизмов. Каждое рабочее место лаборатории должно быть снабжено газовой горелкой или спиртовкой, банкой с дезинфицирующим раствором. Лабораторные столы оборудуются микроскопом с осветителем, набором красителей и реактивов для окраски препаратов, бактериальными петлями, крючком, иглой, шпателем, Пастеровскими и градуированными пипетками, предметными и покровными стеклами, пинцетами, ванночкой для приготовления и окраски мазков, ватой в стеклянном сосуде, карандашом по стеклу, фильтровальной бумагой.

Учитывая, что работа в микробиологической лаборатории медицинского учреждения проводится с возбудителями инфекционных заболеваний, персонал для предохранения от заражения, должен строго соблюдать правила внутреннего порядка:

1) Входить в лабораторию и работать в ней только в медицинских халатах, шапочках и в сменной обуви. В необходимых случаях персонал надевает на лицо маску из марли. Работа с особо опасными микроорганизмами регламентируется спец. инструкцией и проводится в режимных лабораториях.

2) В лабораториях запрещается принимать пищу, курить.

3) Рабочее место должно содержаться в образцовом порядке, личные вещи сотрудников следует хранить в специально отведенном месте.

4) При случайном попадании инфекционного материала на стол, пол, одежду, обувь это место необходимо обработать дезинфицирующим раствором.

5) Использованные пипетки, предметные стекла, шпатели, ватные тампоны необходимо помещать в сосуд с дезинфицирующим раствором. Пинцеты, бактериальные петли, иглы следует прожигать в пламени горелки.

6) Обработанные культуры, использованный микробный материал, трупы зараженных животных необходимо сдавать для обеззараживания.

7) Хранение, наблюдение за культурами микроорганизмов и их уничтожение должны проводится согласно специальной инструкции. Все культуры патогенных микроорганизмов регистрируются в специальном журнале.

Главная » База знаний » Принципы классификации микроорганизмов. Основные группы микроорганизмов