Ультраструктура бактериальной клетки

ЛФ, ФИУ, ПФ. Занятие № 2

А. Основные положения

 

Морфологические признаки бактерий.

К морфологическим признакам бактерий относятся: окраска по Граму, форма, размер, наличие спор, наличие капсул, подвижность, расположение в мазке.

 

Форма бактерий.

Бактерии бывают круглой формы (кокки), цилиндрической (палочки), извитые (спирохеты).

 

Размер бактерий.

Кокки имеют размер около 1 мкм, наиболее мелкие палочки, соразмерные коккам, называются коккобактериями, спирохеты характеризуются как очень тонкие и очень длинные.

 

Расположение бактерий в мазке.

Диплобактерии и диплококки располагаются попарно, стрептобактерии и стрептококки – цепочкой, стафилококки – беспорядочными грудами.

Различия эу- и прокариотической клетки.

Прокариотическая (бактериальная) клетка, в отличие от эукариотической, не имеет внутриклеточных мембранных структур, ДНК у неё – циркулярно замкнутая, а в составе клеточной стенки содержится пептидогликан.

 

Органеллы бактериальной клетки.

Бактериальная клетка обязательно содержит нуклеоид, цитоплазму, рибосомы, цитоплазматическую мембрану с впячиваниями (мезосомами) и клеточную стенку; кроме того, бактерии могут иметь плазмиды, цитоплазматические включения, спору, капсулу, жгутики, реснички.

 

Строение клеточной стенки бактерий.

Клеточная стенка грамположительного типа имеет толстый слой пептидогликана, а грамотрицательного типа – имеет тонкий слой пептидогликана, а снаружи от него – слой полисахарида.

 

Дефектные формы бактерий.

Дефектные формы бактерий теряют клеточную стенку, если при этом они сохраняют способность к делению, то называются L-формами.

 

Окраска по Граму.

При окраске по Граму фиксированный мазко сначала обрабатывают генциановым фиолетовым, затем раствором Люголя, затем обесцвечивают спиртом и после промывания водой докрашивают фуксином; грамположительные бактерии (т.е. имеющие клеточную стенку грампложительного типа) окрашиваются в синий цвет, грамотрицательные (т.е. имеющие клеточную стенку грамотрицательного типа) – в красный цвет.

 

Грамположительные и грамотрицательные бактерии.

К грамположительным бактериям относятся все кокки, кроме нейссерий, а так же некоторые палочки (имеющие спору, способные к ветвлению – так называемые бактерии актиномицетного ряда, листерии); к грамотрицательным бактериям относятся нейссерии, большинство палочек, спирохеты.

Б. Лекционный курс

В. Теоретический материал

ЛФ и ПФ. Занятие № 2

3. Морфология бактерий

3.1. Морфологические признаки бактерий

3.2. Форма бактерий

3.3. Размер бактерий

3.4. Расположение бактерий в мазке

4. Ультраструктура бактериальной клетки

4.1. Различия эу- и прокариотической клетки

4.2. Органеллы бактериальной клетки

4.3. Строение клеточной стенки бактерий

4.4. Дефектные формы бактерий

6. Методы изучения морфологии бактерий.

6.3. Окраска по Граму

МОРФОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

 

3.1. Морфологические признаки бактерий

При описании морфологии бактерий определённого таксона характеризуют следующие присущие ему признаки:

- окраска по Граму,

- форма бактериальной клетки,

- размер бактериальной клетки,

- наличие защитных приспособлений (капсулы, эндоспоры),

- подвижность (наличие жгутиков, их число и расположение),

- расположение бактерий в мазке.

В этой главе даны общие сведения о форме, размере и расположении бактериальных клеток в мазке; морфологические признаки, обусловленные особенностями ультраструктуры бактериальных клеток (окраска по Граму, зависящая от типа строения клеточной стенки, капсула, эндоспора и жгутики) будут описаны в главе 4.

3.2. Форма бактерий

Форма бактериальных клеток достаточно хорошо оценивается при световой микроскопии.

 

Рис. 3-1. Стафилококки	Рис. 3-2. Стрептококки
Рис. 3-3. Пневмококки	Рис. 3-4. Нейссерии (менингококки)

 

А. Подавляющие большинство прокариот, благодаря наличию жёсткой структуры - клеточной стенки – обладают определённой формой, которая хоть и может варьировать в определённых пределах, тем не менее, является достаточно стабильным морфологическим признаком. Такие бактерии относятся к отделам Firmicutes и Gracilicutes.

1. Бактерии, имеющие круглые клетки, называются кокками.

а. Форму математически идеального шара, имеют стафилококки (Рис. 3-1).

б. Овальную форму клеток имеют стрептококки (Рис. 3-2).

в. Ланцетовидную форму или, как её ещё описывают, форму горящей свечи, имеют пневмококки (Рис. 3-3).

г. Бобовидную форму имеют нейссерии (гонококки и менингококки) (Рис. 3-4).

2. Бактерии цилиндрической формы называют палочковидными или просто палочками.

а. Большинство палочек прямые (Рис. 3-5).

 

Рис. 3-5. Прямые палочки

 

б. Некоторые палочки имеют изогнутую форму. Раньше такие бактерии относились к спирохетам, но последние имеют ряд принципиальных особенностей своей ультраструктуры, которые не присущи изогнутым палочкам.

1. Один изгиб имеют вибрионы (Рис. 3-6). Их ещё сравнивают с запятыми, а холерный вибрион, мо имени первооткрывателя, называют «запятой Коха».

 

Рис. 3-6. Вибрионы

 

2. Кампилобактеры ( Рис.3-7) и геликобактеры (Рис. 3-8) имеют два-три изгиба. Из-за такой формы и ещё принимая во внимание их расположение в мазке, эти бактерии характеризуют как «крыло чайки».

Рис.3-7. Кампилобактеры	Рис. 3-8. Геликобактеры
Рис. 3-9. Актиномицеты

 

в. Отдельную группу составляют ветвящиеся и способные к ветвлению бактерии. Типичным представителем их являются актиномицеты (Рис. 3-9). Способны к ветвлению микобактерии и коринебактерии. Эта группа называется также бактерии актиномицетного ряда.

3. Извитые формы бактерий обладают особенностями ультраструктуры, придающими им вид кручёной нити. Более подробно о них будет сказано ниже. К этой группе относятся спирохеты – трепонемы, лептоспиры, боррелии (Рис. 3-10).

 

Рис. 3-10. Спирохета

Рис. 3-11. Микоплазмы

 

Б. Особая группа бактерий не имеет определённой формы. Речь идёт о микоплазмах (Рис. 3-11). Эти бактерии лишены клеточной стенки, а именно она играет у прокариот формообразующую роль. Микоплазмы выделены в особый отдел – Tenericutes.

3.3. Размер бактерий

Размер бактериальных клеток можно измерить с помощью специальной линейки, помещаемой в окуляр микроскопа. Однако на начальном этапе изучения мира микроорганизмов достаточно обладать ориентировочными представлениями о размере микробов.

А. Кокки имеют размер порядка 1 мкм.

Б. Палочки по их размеру можно разделить на три основные группы.

1. Наиболее мелкие палочки по своим размерам схожи с кокками. Такие палочки называются коккобактериями.

2. Размер подавляющего большинства палочек можно охарактеризовать как мелкие и средние. Из-за присущего прокариотам полиморфизма провести чёткую границу между палочками мелких и средних размеров достаточно сложно.

3. И, наконец, к крупным палочкам относятся ветвящиеся (бактерии актиномицетного ряда) и спорообразующие (бациллы и клостридии) палочки.

В. Спирохеты, по признаку их размера, можно охарактеризовать как очень тонкие и очень длинные.

Г. Микоплазмы, причине, о которой уже говорилось выше, не имеют строго определённого размера, который колеблется у этих прокариот от сотен нанометров (т.е. соизмерим с размером больших вирусов) до десятков микрометров (т.е. достигает размера крупных бактерий).

3.4. Расположение бактерий в мазке

Для правильной оценки этого признака очень важную роль играют правильное приготовление мазка и практический опыт микробиолога (впрочем, первое почти всегда зависит от второго). Расположение бактерий в мазке зависит от особенностей их деления – в каком количестве плоскостей одновременно происходит этот процесс и сразу ли новообразованные клетки расходятся после деления.

А. Наибольшую разнообразность по этому признаку демонстрируют кокки.

1. Микрококки (монококки) располагаются в мазке беспорядочно (поодиночке).

2. Диплококки располагаются попарно. К диплококкам относятся пневмококки и нейссерии (гонококки и менингококки). Кроме этого, попарное расположение характерно и для энтерококка.

3. Сарцины располагаются в мазке в виде пакетов, число кокков в которых кратно четырём (Рис. 3-12).

4. Стрептококки располагаются цепочками (Рис. 3-13).

5. Стафилококки формируют в мазке беспорядочные группы, сравниваемые обычно с гроздьями винограда.

Б. У палочек гораздо меньше вариантов по этому признаку.

1. Подавляющее большинство из них располагаются в мазке беспорядочно.

2. Клебсиеллы и коринебактерии (а именно – возбудитель дифтерии) располагаются в мазке преимущественно попарно и поэтому называются диплобактериями. При этом для клебсиелл типично расположение в парах друг за другом, а для возбудителя дифтерии – под углом.

3. Бациллы (Рис. 3-14) располагаются в мазке цепочкой (стрептобациллы).

 

Рис. 3-12. Сарцина	Рис. 3-13. Стрептококки
Рис. 3-14. Бациллы

 

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 – цтоплазматическую. 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 циркулярную 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, разве что 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 циркулярно-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. 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, 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 меньше 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 многослойны 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 грамотрицательная, но более сложная по своему строению.

1. Пептидогликан представлен в ней тонким слоем.

2. При этом пептидогликановый слой не тесно 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.