Ультраструктура бактериальной клетки

4.1. Различия эу- и прокариотической клетки

Прокариотическая клетка имеет, по сравнению с клеткой эукариотической, принципиально иной тип организации. Ниже приводятся те основные признаки, по которым бактериальная клетка отличается от эукариотической (в качестве примера последней взята животная клетка).

А. Принципиальное отличие её ультраструктуры – отсутствие внутриклеточных мембранных структур. Бактериальная клетка имеет лишь одну мембрану – цитоплазматическую. Внутреннее же пространство прокариотической клетки, в отличие от клетки эукариотической, не разделяется внутриклеточными мембранными структурами на отдельные, изолированные друг от друга, отсеки (Рис. 4-1).

Рис. 4-1. Принципиальное отличие в строении прокариотической (слева) и эукариотической (справа) клеток

 

Б. У всех форм клеточной жизни (в отличие от вирусов) наследственная информация хранится в ДНК, однако у прокариотической клетки молекула ДНК организована несколько по иному, в сравнении с эукариотической клеткой.

1. ДНК бактериальной клетки имеет не линейную, а кольцеобразную форму.

2. Локализуется ДНК прокариотической клетки в нуклеоиде и плазмидах (у эукариот ДНК локализуется в ядре и митохондриях).

3. ДНК нуклеоида представляет, условно говоря, единственную хромосому бактериальной клетки, в то время как у эукариотической клетки имеется целый набор хромосом.

4. У бактерий отсутствуют гистонные белки.

5. У прокариот отсутствует также процесс митоза.

В. Рибосомы прокариотической клетки имеют меньшую молекулярную массу (70S, а не 80S, как у животной клетки).

Г. Цитоплазма прокариот ничем не отличается от подобной структуры у эукариот, однако у бактериальной клетки отсутствует её движение.

Д. Подавляющее число бактериальных клеток содержит уникальное вещество – пептидогликан, составляющий основу прокариотической клеточной стенки. Пептидогликан представляет собой жёсткую структуру, состоящую из полимерных цепей аминосахаров, связанных между собой пептидными мостиками (Рис. 4-2 – 4-4).

Рис. 4-2. Однослойная структура пептидогликана (линиями обозначены гетерополимерные цепочки, образованные чередующимися остатками N -ацетилглюкозамина (Г) и N -ацетилмурамовой кислоты (М), соединенными между собой b-1,4-гликозидными связями, кружочками обозначены аминокислоты пептидного хвоста)

Рис. 4-3. Структура повторяющейся единицы пептидогликана клеточной стенки эубактерий. Цифры в кружках обозначают: 1, 2— места полимеризации гликанового остова молекулы: 3 — место присоединения с помощью фосфодиэфирной связи молекулы тейхоевой кислоты в клеточной стенке грамположительных эубактерий; 4, 5 — места, по которым происходит связывание между гликановыми цепями с помощью пептидных связей; 6 — место ковалентного связывания (пептидная связь) с липопротеином наружной мембраны у грамотрицательных эубактерий; 7 — место действия лизоцима.

Рис. 4-4. Пептидные мостики между гетерополимерными цепочками пептидогликана Г — N-ацетилглюкозамин: М — N-ацетилмурамовая кислота; ала — аланин; глу — глутаминовая кислота; лиз — лизин; ДАП — диаминопимелиновая кислота; гли — глицин. Стрелками обозначено место действия пенициллина

 

Е. Бактерии имеют иное, чем эукариоты, строение жгутика. Он у них представляет собой спирально скрученные субъединицы сократительного белка флагеллина.

 

4.2. Органеллы бактериальной клетки

Бактериальная клетка содержит набор органелл, которые условно можно разделить на две группы – обязательные и необязательные.

А. Наличие обязательных органелл является непременным условиям успешного функционирования бактериальной клетки.

1. Нуклеоид представляет собой кольцеобразно-замкнутую двухцепочечную суперспирализованную молекулу ДНК. Для его обозначения используется еще термин «бактериальная хромосома».

2. Цитоплазма бактериальной клетки по своей структуре аналогична цитоплазме эукариотической клетки.

3. Рибосомы у бактерий также аналогичны рибосомам эукариот, но имеют меньшую молекулярную массу.

4. Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) бактерий представляет собой такую же биологическую мембрану, которая окружает цитоплазму эукариотической клетки, но не содержит стеринов. Стерины входят в состав ЦПМ лишь у микоплазм.

5. ЦПМ бактериальной клетки формирует впячивания – мезосомы, – которые являются центром энергетического метаболизма клетки, а также принимают участие в процессе клеточного деления.

6. Клеточная стенка отсутствует только у микоплазм и у, так называемых, дефектных форм бактерий, о которых будет сказано ниже. Она играет формообразующую роль и предохраняет бактериальную клетку от осмотического лизиса. Клеточная стенка у бактерий имеет два типа строения. Так эта органелла – одна из важнейших у прокариот, её строение будет рассмотрено далее в особом разделе.

Б. Отсутствие необязательных органелл серьёзно не сказывается на функциональных потенциях клетки. Они могут присутствовать не у всех особей данного вида. Различные морфовары отличаются друг от друга преимущественно набором именно этих органелл.

1. Плазмиды представляют собой такую же по строению молекулу ДНК, как и нуклеоид, но в отличие от последнего обладают значительно меньшей молекулярной массой и могут быть представлены в покоящейся клетке несколькими копиями. Насчитывается несколько десятков видов бактериальных плазмид. Многие из них могут сосуществовать в одной бактериальной клетке.

2. Бактериальная клетка может содержать цитоплазматические включения, которые чаще всего содержат запасы питательных веществ. Некоторые из них настолько характерны для бактерий определённого вида, что используются для идентификации (например, количество и характер расположения зёрен волютина у возбудителя дифтерии).

3. Прокариотическая клетка может иметь защитные приспособления (эндоспора, капсула), с помощью которых она выживает в неблагоприятных условиях. Эти органеллы более подробно будут рассматриваться ниже.

4. Подвижные бактерии имеют жгутики (а спирохеты – аксиальные фибриллы), служащие им органами движения.

5. Бактериальные клетки очень многих бактерий имеют реснички (пили, фимбрии) – полые белковые трубочки на поверхности клетки (Рис. 4-5). Белок, из которого состоят пили, называется пилин.

Рис. 4-5. Пили (более короткие) и жгутики бактериальной клетки

 

а. Пили общего типа используются бактериальной клеткой для адгезии на питательном субстрате.

б. Половые (конъюгативные, секс-пили) служат для передачи генетического материала от одной прокариотической клетки к другой.

4.3. Строение клеточной стенки бактерий

Клеточная стенка – одна из самых важных структур бактериальной клетки. Лишены её только микоплазмы и дефектные формы бактерий. У эубактерий существует два типа строения клеточной стенки (Рис. 4-6), в зависимости от чего они относятся к отделу Firmicutes (грамположительная клеточная стенка, эти бактерии по Граму окрашиваются в синий цвет) либо Gracilicutes (грамотрицательная клеточная стенка, эти бактерии по Граму окрашиваются в красный цвет).

 

Рис. 4-6. Два типа строения клеточной стенки

 

А. Грамположительная клеточная стенка, по сравнению с грамотрицательной, более толстая, но более простая по строению.

1. Её основу составляет многослойный пласт пептидогликана, тесно прилегающий к цитоплазматической мембране.

2. Пептидогликановый слой пронизывают тейхоевые кислоты – полимерные структуры, занимающие пограничное положение между гликоконъюгатами и фосфолипидами (Рис. 4-7).

Рис. 4-7. Тейхоевые кислоты (А – рибит-тейхоевая кислота, Б – глицерин-тейхоевая кислота)

 

Б. Грамотрицательная клеточная стенка тоньше, чем грамположительная, но более сложная по своему строению.

1. Пептидогликан представлен в ней тонким слоем.

2. При этом пептидогликановый слой не плотно прилегает к цитоплазматической мембране, а отделён от неё периплазматическим пространством.

3. Грамотрицательная клеточная стенка, кроме того, содержит так называемую наружную мембрану. Эта структура имеет иное строение, нежели цитоплазматическая мембрана и состоит в основном из липополисахарида.

4.4. Дефектные формы бактерий

Бактерии могут в силу определённых причин терять клеточную стенку. Например, в результате действия b-лактамных антибиотиков (пенициллинов, цефалоспоринов) или лизоцима. Такие формы бактерий называются дефектными.

А. Дефектные формы бактерий, полностью лишённые клеточной стенки, называются протопластами. Протопласты чаще всего образуются при потере клеточной стенки грамположительными бактериями.

Б. Дефектные формы бактерий, частично лишённые клеточной стенки, называются сферопластами. Сферопласты чаще всего образуются при потере клеточной стенки грамотрицательными бактериями.

В. Дефектные формы бактерий сохраняют метаболическую активность, но – как правило – теряют способность к делению. Но всякое правило имеет исключения: те дефектные формы (вне зависимости от того протопласты это или сферопласты), которые сохранили способность к делению, называются L -формами бактерий. Своё название они получили в честь Института имени Листера, где были открыты.

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 (Streptococcuspneumoniae), бациллы сибирской язвы (Bacillusanthracis), Clostridiumperfringens 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. Хорошо 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 сохранять 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 прорастанияспоры 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.