Ультраструктура бактериальной клетки. Микро- и макрокапсула бактерий.

ЛФ, ФИУ, ПФ. Занятие № 3

А. Основные положения

 

Микро- и макрокапсула бактерий.

Макрокапсула (часто называемая просто капсулой) представляет собой структурированный слизистый слой, покрывающий клеточную стенку и выявляемый или специальными методами окраски или, в мазке из патологического материала, как неокрашенный ореол вокруг микробной клетки; микрокапсулу образуют фибриллы, тесно прилегающие к клеточной стенке (обнаружить её можно с помощью электронной микроскопии); и макро- и микрокапсула защищают микроорганизм от фагоцитов и антител.

 

Жгутики бактерий.

Жгутики бактерий состоят из сократительного белка флагеллина и обнаруживаются с помощью специальных методов окраски или при электронной микроскопии; являются органами движения бактерий, поэтому о наличии жгутиков можно косвенно служить по способности бактерий к движению; у монотрихов – один жгутик, у лофотрихов – пучок жгутиков, у перитрихов жгутики покрывают всё тело бактерии.

 

Спора у бактерий

Эндоспора (или просто спора) защищает бактериальную клетку от неблагоприятных физико-химических условий внешней среды и может или превышать диаметр самой клетки (у клостридий) или не выходить за её пределы (у бацилл), выявляется с помощью окраски по Цилю-Нильсену; у стрептомицетов образуется экзоспора, служащая для размножения.

 

Спорообразование у бактерий

Образование споры начинается с обособления участка цитоплазмы, содержащей нуклеоид (так называемая проспора), вокруг которой образуется многослойная оболочка, содержащая кортекс (особый пептидогликан), после чего вегетативная часть клетки отмирает; прорастание споры начинается с размягчения её оболочек, после чего формируется ростовая трубка, вокруг которой синтезируется клеточная стенка.

 

Особенности морфологии и ультраструктуры актиномицетов.

Актиномицеты относятся к ветвящимся палочкам: представители рода Actinomyces – слабоветвящиеся палочки с колбовидными утолщениями на концах (вызывают актиномикоз), представитель Streptomyces – сильноветвящиеся нити (являются продуцентами антибиотиков); отличаются от других бактерий химическим строением пептидогликана.

 

Особенности морфологии и ультраструктуры спирохет.

Спирохеты отличаются друг от друга по форме и количеству завитков: трепонемы имеют 8-12 завитков одинаковой амплитуды (по Романовскому-Гимзе окрашиваются в розовый цвет), у лептоспир первичные завитки практически не видны, а вторичные направлены в одну, подобно букве С, или разные, подобно букве S, стороны (по Романовскому-Гимзе окрашиваются в красный цвет), у боррелий количество и форма завитков не постоянны (по Романовскому-Гимзе окрашиваются в синий цвет); для обнаружения трепонем и лептоспир преимущественно используется тёмнопольная микроскопия неокрашенных и нефиксированных мазков.

 

Особенности морфологии и ультраструктуры риккетсий и хламидий.

Риккетсии и хламидии являются облигатными внутриклеточными паразитами (т.е. могут размножаться лишь внутри эукариотической клетки, при этом хламидии формируют цитоплазматические включения); риккетсии окрашиваются по Романовскому-Гимзе в синий цвет, а по Здрадовскому – в красный (в обоих случаях клетка-хозяин окрашивается в голубой цвет).

 

Особенности морфологии и ультраструктуры микоплазм.

Микоплазмы резко отличаются от других прокариот: во-первых, они не имеют клеточной стенки, а, следовательно, и не имеют определённой формы и размера, во-вторых, цитоплазматическая мембрана этих бактерий содержит в своём составе стерины, в-третьих, микоплазмы резко отличаются от остальных прокариот по структуре ДНК.

 

Классификация грибов.

Грибы в царстве эукариот классифицируются в отдельный таксон – Mycota, который подразделяется на два отдела: Myxomycota (грибы-слизневики) и Eumycota (настоящие грибы), последние подразделяются на классы в зависимости от особенностей развития и размножения; большинство патогенных грибов относится к дейтеромицетам (сборная группа разных видов грибов, не имеющих полового процесса и размножающихся вегетативно или с помощью спор – т.е. являющихся так называемыми несовершенными грибами).

 

Особенности морфологии грибов.

Выделяют два тира роста грибов: гифальный (плесневой) и дрожжевой; структурная вегетирующая единица плесневого гриба представляет собой разветвлённую нить – гифу, совокупность гиф образуют мицелий (именно способностью образовывать мицелий истинные, или настоящие, грибы отличаются от грибов-слизневиков); плесени размножаются спорами, споры, развивающиеся внутри терминально увеличенного конца гифы-спорофоры, называются эндоспоры (например, у грибов рода Mucor), а располагающиеся на поверхности спорофоры – экзоспорами или конидиями, а соответствующая гифа – конидиофорой; конидиефоры грибов рода Aspergillus заканчиваются терминальными пузырьками или головками, в которые врастают конидии, а у конидиефоров грибов рода Penicillium на терминальном конце вместо головки развивается путём деления специализированная кисточка (поэтому эти грибы называются леечной плесенью); большинство видов дрожжей размножаются почкованием и лишь немногие виды – бинарным делением; дрожжи и дрожжеподобные грибы – одноклеточные микроорганизмы со сферическими или овоидными клетками.

 

Особенности ультраструктуры грибов.

Строение клеток грибов характерно для эукариотических организмов; гифы плесеней могут разделяться перегородками (септами) на отдельные клетки, такой мицелий называется септированный, им обладают высшие грибы (эумицеты), у низших грибов (фикомицетов) мицелий несептированный.

 

Окраска по Цилю-Нильсену.

Используется для выявления эндоспор и для индикации микобактерий; на фиксированный мазок помещается фильтровальная бумага, на которую наливается фуксин Циля, после чего предметное стекло с мазком нагревается над пламенем горелки, затем мазок обесцвечивается кислотой, промывается водой и докрашивается метиленовой синькой – споры и микобактерии будут красными, а вегетативная часть клетки и все бактерии, за исключением микобактерий окрасятся в синий цвет.

 

Б. Лекционный курс

В. Теоретический материал

4. Ультраструктура бактериальной клетки

4.5. Микро- и макрокапсула бактерий

4.6. Жгутики бактерий

4.7. Спора и спорообразование у бактерий

5. Особенности морфологии и ультраструктуры некоторых микроорганизмов

5.1. Особенности морфологии и ультраструктуры актиномицетов

5.2. Особенности морфологии и ультраструктуры спирохет

5.3. Особенности морфологии и ультраструктуры риккетсий и хламидий

5.4. Особенности морфологии и ультраструктуры микоплазм

5.5. Особенности морфологии и ультраструктуры грибов

6. Методы изучения морфологии бактерий.

6.4. Окраска по Цилю-Нильсену

УЛЬТРАСТРУКТУРА БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ

4.5. Микро- и макрокапсула бактерий

Термин капсула используется для обозначения двух, схожих по своему назначению, но различных по строению структур бактериальной клетки.

А. Просто капсулой чаще всего называют макрокапсулу – выраженный слизистый слой, покрывающий клеточную стенку и имеющий фибриллярное строение.

1. Макрокапсула (Рис. 4-8) у большинства бактерий состоит из полисахаридов, у некоторых – из полипептидов.

Рис. 4-8. Макрокапсула у бактерий

 

2. Особенно выражена (и вследствие этого используется в идентификации) макрокапсула у клебсиелл, пневмококка (Streptococcus pneumoniae), бациллы сибирской язвы (Bacillus anthracis), Clostridium perfringens и большинства коккобактерий.

3. Для выявления макрокапсулы разработаны специальные методы окраски. Но если мазок сделан из патологического материала, взятого от человека, макрокапсула будет видна при любом методе окраски в виде неокрашенного ореола вокруг бактериальной клетки («негативное контрастирование»).

Б. Микрокапсулу образуют фибриллы, тесно прилегающие к клеточной стенке.

1. Фибриллы, образующие микрокапсулу состоят из мукополисахарида.

2. Микрокапсулой обладают многие виды бактерий.

3. Выявляется микрокапсула при электронно-микроскопическом исследовании.

В. Функция капсулы заключается в защите бактериальной клетки от антител и фагоцитов.

Г. Соответственно своей функции, капсула образуется бактериальной клеткой или при нахождении её в организме человека или при росте культуры на искусственной питательной среде, содержащей сыворотку крови.

4.6. Жгутики бактерий

Жгутики служат бактериальной клетке органами движения. Лишь у спирохет эту функцию выполняет осевая нить (аксиальная фибрилла). И жгутики бактерий, и осевые нити спирохет состоят из сократительного белка флагеллина.

А. Жгутики обладают вращательным типом движения.

Б. Существует классификация бактерий по числу и расположению их жгутиков (Рис. 4-9).

1. Бактерии, имеющие один жгутик называются монотрихами. Как правило, такой жгутик расположен на полюсе клетки. Монотрихи – самые «быстроходные» среди бактерий.

Рис. 4-9. Различное расположение жгутиков у бактерий (сверху вниз: монотрих, лофотрих, амфитрих, перитрих)

 

2. Бактерии, имеющие более одного жгутика, называются политрихами.

а. Если у бактерий имеется – как правило, на полюсе клетки – пучок жгутиков, то такие бактерии называются лофотрихами.

б. Если пучки жгутиков (или два жгутика) располагаются на противоположенных полюсах клетки, то такие бактерии называются амфитрихами.

в. Если жгутики располагаются по всему периметру клетки, то такие бактерии называются перитрихами.

3. Бактерии, лишённые жгутиков, называются атрихами.

В. Методы выявления жгутиков условно можно разделить на две группы: косвенные и прямые.

1. Косвенно жгутики можно выявить по факту подвижности бактериальных клеток. Для выявления подвижности бактерий готовят, например, препарат «раздавленная» (или «придавленная») капля. Для этого каплю бактериальной культуры – лучше, если эта культура будет при этом выращена на жидкой питательной среде – помещают на предметное стекло и накрывают покровным стеклом. Микроскопируют или с помощью иммерсионной системы или использую объектив 40. Для того, чтобы чётче разглядеть неокрашенные живые бактерии, можно несколько затемнить поле зрения, приспустив конденсор.

2. При прямом обнаружении жгутиков их непосредственно наблюдают в микроскоп.

а. Для этого применяются специальные методы окраски. Например, метод Морозова основан на обволакивании жгутика тонким слоем солей серебра или ртути. При этом жгутик, не меняя своей формы, становиться чуть толще. Этого достаточно, чтобы структура, «перешагнув» нижнюю границу разрешающей способности иммерсионного микроскопа, стала видимой.

б. Пучок жгутика у лофотрихов можно обнаружить с помощью фазово-контрастного микроскопа.

в. И, естественно, жгутики видны при использовании электронного микроскопа.

4.7. Спора и спорообразование у бактерий

У бактерий существует два типа спор: эндоспора и экзоспора.

А. Под эндоспорой понимают покоящуюся форму бактериальной клетки, позволяющую ей сохранить свою наследственную информацию в неблагоприятных условиях внешней среды. Эндоспору чаще называют просто спорой.

1. Функция споры состоит в защите бактерий от неблагоприятных физико-химических факторов внешней среды (неблагоприятная температура, рН и т.п.). Активно спорулировать бактериальная культура начинает также при истощении питательной среды.

2. Характеризуя принцип строения споры, можно сказать, что она представляет собой ДНК, окруженную многослойной оболочкой, в том числе содержащей пептидогликановый слой (кортекс).

3. Спора образуется бактериями при нахождении вне человеческого организма, в том числе при росте на искусственных питательных средах.

4. Высокая устойчивость спор (у некоторых видов они могут сохраняться столетиями) обусловлена прежде всего их высокой термоустойчивостью. Это свойство обеспечивается особым химическим строением споры.

а. Спора практически лишена свободной воды. Все молекулы воды в её составе находятся в химически связанном состоянии.

б. Химический состав споры, в отличие от вегетативной бактериальной клетки, отличается высоким содержанием кальция.

в. В состав споры входит дипиколиновая кислота. Этого соединения нет в вегетативной бактеральной клетке. Кальциевые соли дипиколиновой кислоты, входящие в состав оболочек споры, придают им высокую термостойкость.

г. Белок, входящий в состав споры, отличается по своему строению от белка вегетативной бактериальной клетки. Особый аминокислотный состав белков споры также обуславливает его устойчивость к высокой температуре.

д. Петидогликан, входящий в состав кортекса споры, также отличается по своему химическому составу от пептидогликана клеточной стенки вегетативной бактериальной клетки, что, в свою очередь, обуславливает его устойчивость к высокой температуре.

5. В процессе образования споры выделяют пять стадий (Рис. 4-10).

Рис. 4-10. Цикл формирования и прорастания споры (объяснения в тексте)

 

а. На первой стадии вокруг нуклеоида образуется уплотнённый участок цитоплазмы, формируя так называемую спорогенную зону.

б. На второй стадии происходит изолирование спорогенной зоны от остальной части цитоплазмы врастающей внутрь клетки цитоплазматической мембраной, в результате чего образуется проспора.

в. На третей стадии формируется кортекс.

г. На четвёртой стадии появляется внешняя оболочка, содержащая дипиколиновую кислоту.

д. И, наконец, на пятой стадии вегетативная часть клетки отмирает.

6. Процесс прорастания споры также осуществляется в пять стадий (Рис. 4-10).

а. Сначала происходит набухание споры, вызванное увеличением в её составе количества свободной воды.

б. Это делает возможным активацию в споре ферментативных процессов.

в. Ферменты разрушают плотные оболочки споры.

г. Из споры выходит ростовая трубка, на основе которой формируется протопласт вегетативной бактериальной клетки.

д. И на последней стадии прорастания споры у вновь образованной бактериальной клетки синтезируется клеточная стенка.

7. Из бактерий, имеющих медицинское значение спору образуют бациллы и клостридии.

а. У бацилл (бактерий, относящихся к роду Bacillus) спора не превышает диаметр бактериальной клетки (Рис. 4-11).

Рис. 4-11. Bacillus

Рис. 4-12. Clostridium

б. У клостридий (бактерий, относящихся к роду Clostridium) диаметр споры больше диаметра бактериальной клетки (Рис. 4-12).

8. Для контрастного выявления спор используют метод окраски по Цилю-Нильсену или его модификации.

Б. В отличие от эндоспоры экзоспора служит не для сохранения генетического материала бактериальной клетки при неблагоприятных условиях внешней среды, а для размножения. С помощью экзоспор размножаются, например, почвенные актиномицеты – стрептомицеты. Вследствие этого экзоспоры отличаются по своим свойствам от просто спор (т.е. эндоспор).

1. По сравнению с эндоспорой экзоспора менее устойчива во внешней среде.

2. Экзоспора, как явствует из её названия, образуется не внутри, а вне бактериальной клетки.

3. Одна бактериальная клетка образует не одну, а много экзоспор.