Морфологія і ультраструктура бактеріальної клітини - студопедія

Один з основних ознак клітини прокаріотів - відсутність внутрішнього поділу, забезпечується елементарними мембранами. По суті, єдина мембранна система прокаріот - ЦПМ, що входить до складу клітинної стінки, часто складно влаштована і проникаюча поперечними складками глибоко в цитоплазму.

Структура бактерій добре вивчена за допомогою електронної мікроскопії цілих клітин і їх ультратонких зрізів, а також інших методів. Бактеріальну клітину оточує оболонка, що складається з клітинної стінки і цитоплазматичної мембрани. Під оболонкою знаходиться протоплазма, що складається з цитоплазми з рибосомами і неоформленого ядра, званого нуклеоїдом. Можуть бути додаткові структури: капсула, мікрокапсула, слиз, джгутики, включення. Деякі бактерії здатні утворювати спори для переживання несприятливих умов. Всі структурні елементи бактеріальної клітини умовно можна розділити на обов'язкові (нуклеоїд, ЦПМ, клітинна стінка, цитоплазма, 70S рибосоми) і необов'язкові, які можуть бути відсутніми у деяких видів (капсула, плазміди, включення, джгутики, пили і ін.)

Капсула. Клітинну оболонку багатьох бактерій оточує шар аморфного, гідрофільного речовини. Капсула складається з полісахаридів (екзополісахаридів), іноді з поліпептидів; наприклад, капсула В. anthracis складається з полімерів D-глутамінової кислоти. Основну роль в організації капсул грає ЦПМ. Виділяють мікрокапсули (які виявляються тільки при

електронної мікроскопії у вигляді шару мукополісахаридних фібрил) і макрокапсули (виявляють при світловій мікроскопії). У деяких бактерій полімери клітинної оболонки, що виділяються назовні, вільно розташовуються навколо неї, утворюючи слизовий шар. Слиз розчинна у воді. Мукоїдні Екзополісахариди характерні для мукоїдному штамів синьогнійної палички, часто зустрічаються в мокроті хворих скістозним фіброзом. Капсула і слиз захищають бактерії від пошкоджень, висихання, фагоцитів. впливу бактерицидних факторів, забезпечують адгезію на різних субстратах, можуть містити запаси поживних речовин. Капсула антигену (К-антиген). Для візуалізації капсули використовують негативні методи забарвлення (по Буррі-Гінсу).

Клітинна стінка. Клітинна стінка є унікальною, за своїм хімічним складом, структурою клітини прокаріотів. Вона виконує ряд важливих функцій: захищає бактерії від зовнішніх впливів, надає їм характерну форму, підтримує постійність внутрішнього середовища, бере участь у розподілі, на поверхні клітинної стінки знаходяться рецептори для бактеріофагів, бактеріоцинів і різних хімічних речовин, через клітинну стінку здійснюється транспорт поживних речовин і виділення метаболітів. Це міцна, пружна структура, що має складну будову. Опорним каркасом клітинної стінки бактерій є пептидогликан (муреин, мукопептидів) - гетерополімер, що складається з повторюваних дісахарідних груп, з'єднаних поперечними і бічними ланцюжками. Дисахарид, що є структурною одиницею пептидогликана, складається з N - ацетилглюкозамін і N - ацетилмурамовой кислоти, з'єднаних # 946; - глікозіднимі зв'язками. До молекулі N-ацетилмурамовой кислоти приєднуються олігопептиди, що утворюють бічні ланцюжки. Зв'язування фрагментів пептидоглікану полягає в утворенні пептидного зв'язку між термінальним залишком амінокислотного містка (D-аланином) з передостаннім залишком примикає амінокислотного містка (L-лізину або діамінопімеліновой кислотою). Бічні містки утворюють чотири амінокислоти, поперечні (вертикально зв'язують шари пептидогликана) - п'ять амінокислот. До складу бічних і поперечних містків входять унікальні амінокислоти, присутні тільки у прокаріотів, що робить ці зв'язки мішенню для ряду антибактеріальних препаратів.

За будовою та складом клітинної стінки мікроорганізми діляться на грампозитивні і грамнегативні, що є важливою ознакою, покладеним в основу штучної систематики бактерій. Основним компонентом товстої клітинної стінки грампозитивних бактерій є багатошаровий пептидогликан, що становить 40-90% маси клітинної стінки. З пептідогліканов клітинної стінки грампозитивних бактерій ковалентно пов'язані тейхоевие кислоти (від грец. Teichos - стінка), молекули яких являють собою ланцюги з 8-50 залишків гліцерину і рибітол, з'єднаних фосфатними містками. У клітинній стінці грампозитивних бактерій міститься невелика кількість полісахаридів, ліпідів, білків.

Мал. 2. Будова клітинної стінки бактерії

До складу клітинної стінки грамнегативних бактерій входить зовнішня мембрана, пов'язана за допомогою ліпопротеїну з підметом шаром пептидоглікану. На ультратонких зрізах бактерій зовнішня мембрана має вигляд хвилеподібною тришарової структури, подібної з внутрішньою мембраною, яку називають цитоплазматичної. Основним компонентом цих мембран є бімолекулярний (подвійний) шар ліпідів. Внутрішній шар зовнішньої мембрани представлений фосфолипидами, а в зовнішньому шарі розташований ліпополісахарид. Липополисахарид зовнішньої мембрани складається з 3 фрагментів: липида А - консервативної структури, практично однаковою у грамнегативнихбактерій; ядра, або стрижневий, коровою частини (від лат. соrе - ядро), щодо консервативної олігосахарідним структури (найбільш постійною частиною ядра ЛПС є кетодезоксіоктоновая кислота); високоваріабельной О-специфічної ланцюга полісахариду, утвореної повторюваними ідентичними олігосахарідним послідовностями (О-антиген). Білки матриксу зовнішньої мембрани пронизують її таким чином, що молекули білка, звані порінов, облямовують гідрофільні пори, через які проходять вода і дрібні гідрофільні молекули.

При порушенні синтезу клітинної стінки бактерій під впливом різних факторів утворюються клітини зі зміненою формою (частіше кулястої): протопластів - бактерії, повністю позбавлені клітинної стінки; сферопласти - бактерії з частково збереженою клітинною стінкою. Бактерії сферо- або протопластного типу, які втратили здатність до синтезу пептидоглікану і здатні розмножуватися, називаються L-формами. Існують нестабільні L-форми, які можуть реверсувати, «повертаючись» у вихідну бактеріальну клітину, і стабільні L-форми, які не здатні до реверсії.

Цитоплазматична мембрана. ЦПМ - це обов'язкова клітинна структура, що є фізичною, осмотическим, метаболічним бар'єром між внутрішнім вмістом бактеріальної клітини і зовнішнім середовищем. ЦПМ складається з двох шарів фосфоліпідів і вбудованих в ліпідну мембрану білкових молекул (як більшість біологічних мембран). Білки становлять 20-75%, ліпіди - 25-40% і в незначних кількостях в ЦПМ присутні вуглеводи і РНК, білки ЦПМ поділяють на структурні і функціональні. Перші утворюють різні структури ЦПМ, другі представлені ферментами, які беруть участь в синтетичних реакціях на поверхні мембрани і окислювально-відновних процесах, а також деякими спеціалізованими ензимами (пермеази беруть участь в транспорті речовин). При надмірному зростанні (в порівнянні з ростом клітинної стінки) цито-плазматична мембрана утворює інвагінат - впячивания у вигляді складно закручених мембранних структур, звані Мезосоми. Мезосоми утворюють поперечні перегородки між діляться клітинами і є місцем прикріплення бактеріальної хромосоми.

У деяких бактерій між ЦПМ і клітинної стінкою розташовується Периплазма - порожнина шириною близько 10 нм. Зовні в цей простір відкриваються пори клітинної стінки, зсередини виходять деякі клітинні ферменти (рибонуклеази, фосфатази, | 3-лактамази).

Цитоплазма. Цитоплазма бактерій є колоїдний матрикс, службовець для реалізації життєво важливих функцій. Цитоплазма більшості бактерій містить ДНК, рибосоми і запасні гранули; інший простір займає колоїдна фаза. Її основні складові - розчинні ферменти і РНК (мРНК і тРНК).

Бактеріальний геном. Еквівалентом ядра у бактерій є нуклеоїд (генофором). Він розташований в центральній зоні бактерій у вигляді подвійної суперспіралізованной кільцевої молекули ДНК. Вона становить 2-3% сухої маси клітини (більше 10% за обсягом). Генофором не містить гістонів. Обсяг генетичної інформації, кодируемой в бактеріальної хромосомі залежить від виду бактерії. Крім нуклеоида в бактеріальної клітці є позахромосомних носії генетичної інформації - плазміди, які є ковалентно замкнутими кільцями ДНК. Плазміди несуть ряд різних генів, що кодують додаткові (необов'язкові) ознаки бактерій, наприклад, гени антибіотикорезистентності (К-фактор). Бактерії можуть обмінюватися плазмидами в процесі кон'югації.

Рибосоми. Бактеріальні рибосоми - складні глобулярні освіти, що складаються з молекул РНК і пов'язаних з ними білками. Рибосоми необхідні для синтезу поліпептидів. Кількість рибосом в різних бактеріальних клітинах коливається від 5 до 50 тисяч. Діаметр рибосом становить близько 16-20 нм. Швидкість їхнього осадження при ультрацентріфугірованіі становить 70S (одиниць Сведберга), тоді як у еукаріотів 80S. Рибосоми бактерій складаються з двох субодиниць з коефіцієнтом седиментації 50S і 30S (в еукаріот від 40S і 60S). Об'єднання субодиниць відбувається перед початком трансляції. Рибосомальні РНК (рРНК) - консервативні елементи бактерій ( «молекулярні годинник» еволюції). 16S рРНК входить до складу малої субодиниці рибосом, а 23S рРНК - до складу великої субодиниці рибосом. Вивчення 16S рРНК є основою геносистематики, що дозволяє оцінити ступінь спорідненості організмів. Відмінності в будові рибосом про-і еукаріотів роблять рибосоми еукаріот практично резистентними до дії антибіотиків, які блокують синтез білка у бактерій.

Запасні гранули. У цитоплазмі бактерій містяться різні включення, які містять тимчасовий надлишок метаболітів. У вигляді гранул можуть запасатися полісахариди (крохмаль, глікоген), жири (тригліцериди, запасаються у дріжджоподібних грибів роду ^ 1 СапсНс1а), полімери # 946; - оксимасляної кислоти, поліфосфати (волютин) у C. diphtheriae, сірка, кристалізовані білки і ін.

Джгутики. Джгутики бактерій є органами руху (локомоції) бактерій. Розташування джгутиків - характерна ознака, що має таксономічне значення. За кількістю і розташуванням джгутиків розрізняють монотрихи - один джгутик (V. cholerae), перитрихи (від грец. Реri - навколо і trichos - волосся) - джгутики по всій поверхні бактеріальної клітини (Е.сoli), лофотрихи (від грец. 1оphos - пучок і trichos - волосся) - пучок джгутиків на одному кінці клітини (Рseudomonas), амфітріхі (від грец. атрhi - подвійний, двосторонній і trichos - волосся) - поодинокі джгутики або пучки джгутиків на різних полюсах клітини (Spirillum). Джгутик - спірально вигнута порожниста нитка, утворена субодиницями білка флажеліну. Товщина джгутиків 12-20 нм, довжина 3-15 мкм (більше довжини клітини). Джгутики складаються з 3 частин: спиралевидной нитки, гака і базального тільця. Базальне тільце містить стрижень зі спеціальними дисками: одна пара дисків - у грампозитивних і 2 пари дисків - у грамнегативних бактерій. Дисками джгутики прикріплені до цитоплазматичної мембрани і клітинної стінки. При цьому створюється ефект електромотора зі стрижнем - мотором, що обертає джгутик. Бактеріальні джгутики здійснюють поступальні і обертальні рухи, проштовхуючи бактерії через середу подібно корабельному гвинта. Джгутики є Н-антигенами, що використовується в серологічної ідентифікації.

Рухливість бактерій визначають мікроскопією препаратів «роздавленою» або «віся-

чий »краплі. Здатність до руху можна визначати також після внесення культури бактерій уколом в стовпчик напіврідкого агару (рухливі види ростуть по всій товщі середовища, нерухомі - по уколу) або посівом бактерій в водний конденсат скошеного стовпчика агару.

(Рухливі види перепливають з конденсату на поверхню середовища і колонізують її).

Мікроворсинки. Крім джгутиків, поверхня багатьох бактерій покрита цитоплазматичними виростами - микроворсинками, зустрічаються у рухомих і нерухомих видів. Пили (фимбрии, ворсинки) - ниткоподібні освіти, більш тонкі і короткі (3-10 нм х 0,3-10 мкм), ніж джгутики. Пили відходять від поверхні клітини і складаються з білка пилина, що володіє антигенну активність. Розрізняють пили, відповідальні за адгезію, прикріплення бактерій до поражаемой клітці; пили, відповідальні за харчування, водно-сольовий обмін і статеві (F-пили), або коньюгаціонние, пили. Пили численні - кілька сотень на клітку. Одна-

до статевих пілей зазвичай буває 1-3 на клітину: вони утворюються так званими «чоловічими»

Спори погано фарбуються і залишаються безбарвними в забарвлених клітинах при використанні звичайних методів забарвлення (прості методи, метод Грама). Для забарвлення суперечка використовують метод Ожешко (Ауескі).

5. Основні форми бактерій

Окремим видам бактерій з достатнім постійністю притаманні: певна форма, розмір і розташування. Довжина бактеріальних клітин варіює від 0,1-0,2 мкм (види Муcoplasma) до 10-15 мкм (види Clostridium), товщина - від 0,1 до 2,5 мкм. Середні розміри бактерій 2-3x0.3-0.8 мкм. Виділяють три основні форми бактерій - кулясті (коки), паличкоподібні (циліндричні) і покручені (спіральні).

Мал. 3. Основні форми бактерії (мікрофотографії) а) кулясті (коки); 6) паличкоподібні: в) покручені

Більшість коків (від грец. Kokkos - ягода, зерно) мають кулясту або овальну форму, клітини деяких видів можуть бути ланцетоподібним (пневмококи) або бобовіднимі (нейсерії). За характером розташування клітин в мазках виділяють диплококки (розташовуються парами), стрептококи (розташовуються ланцюжками), стафілококи (розташовуються у вигляді грон винограду), сарціни (розташовуються пакетами по 8. 16. 32 і більше клітин) і ін.

Паличкоподібні бактерії розрізняються за формою кінців клітини і взаємного розташування. Палички можуть бути правильною (кишкова паличка), неправильної (коринебактерії) форми, розгалужені (актиноміцети). Паличкоподібні бактерії можуть розташовуватися в Трабзон поодиноко і безладно (монобактеріі), попарно (діплобактеріі) або ланцюжком (стрепто-бактерії. Стрептобацили) (рис. 4).

Мал. 4. Основні форми бактерій

Покручені форми - представлені вигнутими паличками. Залежно від форми і кількості завитків розрізняють три типи клітин: вібріони (від грец. Vibrio- звиваюся, згинаються) мають один завиток. що не перевищує чверті обороту спіралі (вигнуті клітини на зразок коми): спірили (від грец. speira- спіраль) мають 3-5 великих завитків і спірохети - велика кількість дрібних завитків (рис. 5).