Лекция 2 - Физиология бактерий

Структурные компоненты бактериальной клетки делятся на обязательные и необязательные.

Обязательные компоненты: клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма с локализованными в ней рибосомими и ядерным аппаратом. Необязательные компоненты: капсула, микрокапсула, внеклеточная слизь, включения, жгутики, пили, споры.

Клеточная стенка

Функция клеточной стенки состоит в том, что она является:

- осмотическим барьером;

- определяет форму бактериальной клетки;

- защищает клетку от воздействия окружающей среды;

-несет разнообразные рецепторы, способствующие прикреплению фагов, колицинов, а также различных химических соединений;

-через клеточную стенку в клетку поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена;

-в клеточной стенке локализован О – антиген бактерий и с ним связан эндотоксин бактерий.

      Клеточная стенка представлена слизистой оболочкой, это биогетерополимер, имеющий сложное строение, который покрывает всю поверхность клетки, различают три слоя:

- наружний – липопротеиновый;

- средний – липополисахаридный; - внутренний – мукопептидный.

   Существуют два типа строения клеточной стенки у бактерий. В обеих случаях ее основу составляет пептидогликан муреин, (у некоторых, например ГР+ бактерий он связан с тейхоевыми кислотами). У одних бактерий – 1 тип, он составляет до 90% массы клеточной стенки и образует многослойный до 10 слоев каркас. Такие бактерии при окраске по методу Грамма прочно удерживают комплекс генцианового фиолетового красителя - они окрашиваются в сине – фиолетовый цвет и называются Гр (+).

    У бактерий со вторым типом строения клеточной стенки поверх 2- 3 слоев пептидогликана – муреина располагается слой липополисахаридов. Эти бактерии при окраске по Грамму не способны прочно связывать комплекс красителей, и соответственно, обесцвечиваются спиртом. Поэтому их дополнительно прокрашивают фуксином в розово – красный цвет. Это Гр (-) бактерии.

В связи с различиями в строении клеточной стенки все бактерии делятся на 4 отдела:

-грациликуты – бактерии с тонкой клеточной стенкой, Гр(-), извитые, палочковидные, кокковые формы бактерий, риккетсии и хламидии.

- формикуты – бактерии с толстой клеточной стенкой, Гр(-), к ним относятся палочковидные, кокковые формы, актиномицеты, коринебактерии, микобактерии.

- тенерикуты – бактерии без ригидной клеточной стенки – микоплазмы. - мендозикуты – архебактерии, отличающиеся дефектной клеточной стенкой, особенностями строения рибосом, мембран и рибосомальных РНК.

Из любой бактериальной клетки можно получить форму, полностью или частично лишенную клеточной стенки Они называются соответственно, протопласты и сферопласты. Весьма существенным является то, что под воздействинм химиопрепаратов и других факторов. Нарушающих формирование клеточной стенки, они могут образовываться в организме больного, но при этом бактреии сохраняют способность взаимодействовать с организмом больного.

Кроме того существуют, так называемые L – формы бактерий, которые в отличии от протопластов и сферопластов способные к размножению - это сферические образования разных размеров. Существуют стабильные L-формы, не способные реверсировать в исходный морфотип и нестабильные L -формы, реверсирующие в исходный тип при устранении причин, вызывающих их образование. В процессе реверсии восстанавливается способность бактерий синтезировать пептидоглика – муреин клеточной стенки. L формы различных бактерий играют существенную роль в патогенезе многих хронических рецедивирующих заболеваний (бруцеллез, туберкулез, сифилис).

Цитоплазматическая мембрана и мезосомы.

- ЦПМ является жизненнонеобходимым структурным компонентом бактериальной клетки. Она ограничивает протопласт, располагаясь непосредственно под клеточной стенкой. ЦПМ – это липопротеин. Является сложно орагнизованной структурой, состоящей из нескольких слоев. Двойной фосфолипидный слой пронизан белковыми глобулинами, которые обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку. ЦПМ выполняет жизненно важные функции, нарушение которых приводит бактериальную клетку к гибели

- это прежде всего регуляция     поступления в клетку метаболитов и ионов, участие в метаболизме, репликации ДНК, а у ряда бактерий в процессах спорообразования.

Мезосомы

- являются производными ЦПМ;

- они имеют неодинаковое строение у разных бактерий, располагаясь в разных частях клетки либо в виде концентрических мембран, либо пузырьков, инвагинаций, либо в виде петли;

- мезосомы связаны с нуклеоидом;

- они участвуют в процессе деления и спорообразования, дыхании клетки.

Цитоплазма, рибосомы, включения

Цитоплазма - это физический, осмотический и метаболический барьер между внутренним содержимым бактериальной клетки и внешней средой. Он имеет сложную трехслойную структуру. У прокариот представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из 75% воды, минеральных соединений, белков, РНК, ДНК, которые входят в сотав органелл нуклеоида, рибосом, мезосом, включений.           Рибосомы у бактерий представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы, состоящие из двух субъединиц 30 S и 50 S. Бактериальные рибосомы являются белоксинтезирующими системами клеток.

Включения являются продуктами метаболизма про – и эукариотических микроорганизмов, которые располагаются в их цитоплазме и используются в качестве запасных питательных веществ. К ним относятся включения гликогена, крахмала, серы, полифосфата (валютина) и др. Зерна валютина – это метахроматические включения. Например, у включения у дифтерийной палочки. Ядерный аппарат.

- у прокариотов нет оформленного ядра – его аналог нуклеоид;

-он имеет фибриллярную структуру;

- не имеет основных белков – гистонов; -не содержит хромосом; - не делится митозом.

В нем содержится двунитевая молекула ДНК, а также небольшое количество РНК и белков. Молекула ДНК представляет собой замкнутую кольцевую структуру, в которой закодирована почти вся наследственная информация клетки, т.е. геном клетки. ДНК часто обозначается как хромосома. При этом следует помнить, что она представлена в клетке в единственном числе, поскольку бактерии являются гаплоидными. Однако, перед делением клетки число нуклеоидов удваивается, а во время деления увеличивается до 4 и более.

Плазмиды

Наряду с нуклеоидом в цитоплазме могут находится автономные кольцевые молекулы двунитчатой ДНК с меньшей молекулярной массой, которых получили название плазмид. В них также закодирована наследственная информация. Это необязательные структуры бактериальной клетки.

Капсула

Капсула бактерий – это утолщенный наружный слой клеточной стенки.

Капсулы могут быть построены из полисахаридов (пневмококк) или белков (возбудитель сибирской язвы). Большинство бактерий, особенно патогенных, образуют капсулу только в организме человека или животных. Однако, существует род истинно капсульных бактерий (Klebsiella), представители которого образуют капсулу и при культивировании на искусственно питательных средах.    Некоторые бактерии могут иметь микрокапсулу, например, эшерихии, или неявно выраженную способность к капсулообразованию – так называемую «нежную капсулу», например, золотистые стафилококки, менингококки. Основное предназначение капсулы – защита бактерий от фагоцитоза.

Наружный слизистый слой - синегнойная палочка продуцирует экзополисахариды, которые образуют наружный слизистый слой. 

 

Споры бактерий

Споры бактерий представляют собой бактериальные клетки в состоянии анабиоза и образуются при неблагоприятных условиях внешней среды. Располагаться могут внутри клетки терминально, субтерминально или центрально.

     В процессе спорообразования клетка почти полностью теряет воду, смарщивается, клеточная стенка уплотняется, появляется новое вещество дипиколинат кальция, которое образует комплексы с биополимерами клетки, устойчивые к действию температуры и ультрофиолетовых лучей. В окружающей среде споры бактерий могут сохраняться годами, но при попадании в благоприятные условия спора впитывает влагу, комплексы распадаются, дипиколинат разрушается и спора превращается в вегетативную клетку.         Таким образом, спору следует рассматривать не как способ размножения клетки (как это часто имеет место у грибов), а только как способ существования бактериальной клетки в неблагоприятных условиях. При этом надо запомнить – 1 клетка- 1спора- 1 клетка.

   Спорообразование характерно в основном для Гр(+) бактерий. У Гр(-) эквивалентом спорообразования является переход в так называемое некультивируемое состояние. В такой форме они могут длительно сохраняться в окружающей среде.

     Эндоспоры и спорообразование

     В процессе спорообразования бактериальная клетка подвергается сложной перестройке. На одном из ее полюсов происходит конденсация нуклеоида и отделение его за счет образования септы. Затем ЦМ начинает обрастать протопластом и возникает складка, состоящая из двух слоев ЦМ, которые позднее склеиваются в результате образовавшаяся преспора окружается двойной оболочкой. На следующей стадии между двумя мембранами, окружающими предспору, формируется толстый слой кортекса. Самый внутренний его слой представляет зародышевую стенку. По мере созревания споры обе ее мембраны участвуют в образовании специальных слоев споры. Таким образом, между обращенными друг к другу мембранами, образуется еще и наружная и внутренняя оболочка эндоспоры. Сформировавшаяся эндоспора состоит из протопласта, нуклеоида, стенки споры, кортекса, оболочки, эндосперма. Процесс образования спор более чем 400 контролируется оперонами.

Жгутики

На поверхности ряда бактерий располагаются жгутики. В их состав входит белок флагеллин, который по своей структуре относится к сократимым белкам типа миозина. Поэтому жгутики обеспечивают подвижность бактерий.

Количество и расположение жгутиков у разных бактерий неодинаково:

-монотрихи –  на одном из полюсов клетки имеют один жгутик,

- лофотрихи – пучок жгутиков;

-амфитрихи - жгутики расположены на обеих полюсах клетки; - перитрихи – расположены по всей поверхности.

 Ворсинки-пили

В отличие от жгутиков они не выполняют локомоторную функцию.

Различают пили:

- 1 порядка – пили общего типа – адгезины – они отвечают за прикрепление к субстрату, питание, регуляцию водно-солевого обмена;

- 2 порядка – половые пили – создают контакт между клетками, осуществляя между ними передачу генетической информации;

- пили 4 типа – у некоторых концы обладают гидрофобностью, в результате чего они закручиваются – кудряшки «curli». Располагаются по полюсам клетки. Эти пили встречаются у патогенных бактерий. Они обладают АГ свойствами, осуществляют контакт бактерий с клеткой-хозяина. Участвуют в образовании биопленки.

 

Лекция 2 - Физиология бактерий

Физиология бактерий изучает особенности обмена веществ, питания, роста и размножения бактерий.

Обмен веществ присущ бактериям, как и всем живым существам. Метаболизм складывается из единства и борьбы противоположностей: катаболизма и анаболизма. Метаболизм (анаболизм и катаболизм) – совокупность двух противоположных взаимосвязанных процессов катаболизма и анаболизма. Катаболизм – распад веществ в процессе ферментативных реакций и накопление выделяемой при этом энергии в молекулах АТФ. Анаболизм – синтез веществ с затратой энергии.

Изучают метаболизм бактерий с помощью биохимических и физико – химических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на питательных средах, определенные субстраты.

Особенности метаболизма у бактерий.

1.метаболизм бактерий характеризуется ярко выраженным разнообразием.

2.Напряженность (интенсивность) процессов метаболизма.

3.Все процессы направлены на рост и размножение клетки.

4.Преобладают процессы распада (катаболизма).

5.В метаболизме у бактерий принимают участие как эндоферменты, так иэкзоферменты.

Углеводный обмен, горение, брожение.

Углеводный обмен – это процесс синтеза и распада углеводов. Сложные углеводы внешней среды могут расщепить только те бактерии, которые выделяют ряд экзоферментов (полисахаридазы, олигосахаридазы). Внутрь клетки из углеводов может поступать только глюкоза. ЕЕ судьба двояка. Меньшая ее часть идет на синтез собственных полисахаридов клетки. А большая подвергается дальнейшему расщеплению. Оно может идти двумя путями:

Горение – это расщепление углеводов в аэробных условиях. Конечные продукты газ и вода.

Брожение – это расщепление углеводов в анаэробных условиях. В зависимости от промежуточных продуктов различают спиртовое, молочнокислое, пропионокислое, масляно-кислое и др.виды брожения.