Структурные компоненты бактериальной клетки делят на 2 вида:
- основные структуры (клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана с ее производными, цитоплазма с рибосомами и различными включениями, нуклеоид);
- временные структуры (капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки, эндоспоры, образующиеся лишь на определенных этапах жизненного цикла бактерий).
Основные структуры.
Клеточная стенка находится с внешней стороны от цитоплазматической мембраны. Цитоплазматическая мембрана не входит в состав клеточной стенки. Функции клеточной стенки:
Защита бактерий от осмотического шока и других повреждающих факторов;
Определение формы бактерий;
Участие в метаболизме бактерий.
Клеточная стенка пронизана порами, через которые происходит транспорт экзотоксинов бактерий. Толщина клеточной стенки составляет 10–100 нм. Основной компонент клеточной стенки бактерий - пептидогликан или муреин, состоящий из чередующихся остатков N-ацетил-N-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидными связями.
В 1884 году Х. Грам предложил метод окраски бактерий с помощью генцианвиолета, йода, этилового спирта и фуксина. Все бактерии в зависимости от окраски по Граму подразделяют на 2 группы: грамположительные и грамотрицательные бактерии. Клеточная стенка грамположительных бактерий плотно прилегает к цитоплазматической мембране, ее толщина составляет 20-100 нм. В ней имеются тейхоевые кислоты (полимеры глицерина или рибита), а также в небольших количествах полисахариды, белки и липиды. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий многослойна, ее толщина составляет 14-17 нм. Внутренний слой (пептидогликан) образует тонкую непрерывную сетку. Внешний слой состоит из фосфолипидов, липопротеина и белков. Белки наружной мембраны прочно связаны с пептидогликановым слоем.
В некоторых условиях бактерии лишаются способности полностью или частично синтезировать компоненты клеточной стенки, в результате чего образуются протопласты, сферопласты и L-формы бактерий. Сферопласты – это бактерии с частично разрушенной клеточной стенкой. Они наблюдаются у грамотрицательных бактерий. Протопласты - это формы, полностью лишенные клеточной стенки. Они образуются грамположительными бактериями. L-формы бактерий - это мутанты бактерий, частично или полностью утратившие способность синтезировать пептидогликан клеточной стенки (бактерии с дефектной клеточной стенкой). Свое название они получили от названия института Листера в Англии, где были открыты в 1935 году.
Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) и ее производные. Цитоплазматическая мембрана (плазмолемма) - это полупроницаемая липопротеидная структура бактериальной клетки, отделяющая цитоплазму от клеточной стенки. Она составляет 8-15% сухой массы клетки. Ее разрушение приводит к гибели клетки. При электронной микроскопии выявлено ее трехслойное строение. Цитоплазматическая мембрана представляет собой комплекс белков (50-75%) и липидов (15-20%). Основная масса липидов представлена фосфолипидами. Кроме того, в составе мембраны обнаружено небольшое количество углеводов.
ЦПМ бактерий выполняет следующие функции:
Барьерная функция (молекулярное “сито”);
Энергетическая;
Избирательный перенос различных органических и неорганических молекул и ионов с помощью специальных переносчиков – транслоказ или пермеаз;
Репликация и последующее разделение хромосомы.
В процессе роста клетки цитоплазматическая мембрана образует многочисленные впячивания (инвагинаты), получившие название мезосом .
Цитоплазма - это содержимое бактериальной клетки, ограниченное цитоплазматической мембраной. Она состоит из цитозоля и структурных элементов.
Цитозоль - гомогенная фракция, включающая растворимые компоненты РНК, ферменты, продукты метаболизма.
Структурные элементы - это рибосомы, внутрицитоплазматические мембраны, включения и нуклеоид.
Рибосомы - органоиды, осуществляющие биосинтез белка. Они состоят из белка и РНК. Представляют собой гранулы диаметром 15-20 нм. Одна бактериальная клетка содержит от 5000 до 50000 рибосом. Рибосомы являются местом синтеза белка.
В цитоплазме прокариотов обнаруживаются различные включения, представляющие запасные вещества клетки. Из полисахаридов в клетках откладываются гликоген, крахмал и крахмалоподобное вещество - гранулеза. Полифосфаты содержатся в гранулах, называемых волютиновыми , или метахроматиновыми , зернами.
Нуклеоид является ядром у прокариотов. Он состоит из одной замкнутой в кольцо двуспиральной нити ДНК, которую рассматривают как бактериальную хромосому. У нуклеоида отсутствует ядерная оболочка.
Кроме нуклеоида в бактериальной клетке обнаружены внехромосомные генетические элементы – плазмиды , которые представляют собой небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные к автономной репликации. Роль плазмид состоит в том, что они кодируют дополнительные признаки, дающие клетке преимущества в определенных условиях существования. Наиболее распространены плазмиды, детерминирующие признаки антибиотикорезистентности бактерий (R-плазмиды), синтез энтеротоксинов (Ent-плазмиды) или гемолизинов (Hly-плазмиды).
К временным структурам относятся капсула, жгутики, пили, эндоспоры бактерий.
Капсула - это слизистый слой над клеточной стенкой бактерии. Вещество капсул состоит из нитей полисахаридов. Капсула синтезируется на наружной поверхности цитоплазматической мембраны и выделяется на поверхность клеточной стенки в специфических участках.
Функции капсулы:
Место локализации капсульных антигенов, определяющих вирулентность, антигенную специфичность и иммуногенность бактерий;
Защита клеток от механических повреждений, высыхания, токсических веществ, заражения фагами, действия защитных факторов макроорганизма;
Способность прикрепления клеток к субстрату.
Жгутики – это органы движения бактерий. Жгутики не являются жизненно важными структурами, поэтому могут присутствовать у бактерий или отсутствовать в зависимости от условий выращивания. Количество жгутиков и места их расположения у разных бактерий неодинаково. В зависимости от этого выделяют следующие группы жгутиковых бактерий:
- монотрихи – бактерии с одним полярно расположенным жгутиком;
- амфитрихи – бактерии с двумя полярно расположенными жгутиками или имеющие по пучку жгутиков на обоих концах;
- лофотрихи – бактерии, имеющие пучок жгутиков на одном конце клетки;
- перитрихи – бактерии с множеством жгутиков, расположенных по бокам клетки или на всей ее поверхности.
Химический состав жгутиков представлен белком флагеллином .
К поверхностным структурам бактериальной клетки относятся также ворсинки и пили . Эти структуры участвуют в адсорбции клеток на субстрате (ворсинки, пили общего типа) и в процессах переноса генетического материала (половые пили). Они образованы специфическим гидрофобным белком пилином.
У некоторых бактерий в определенных условиях образуются покоящиеся формы, которые обеспечивают переживание клеток в течение длительного времени в неблагоприятных условиях - эндоспоры . Они устойчивы к неблагоприятным факторам внешней среды.
Расположение спор в клетке:
Центральное (возбудитель сибирской язвы);
Субтерминальное - ближе к концу (возбудитель ботулизма);
Терминальное – на конце палочки (возбудитель столбняка).
Нуклеоид – ядерный аппарат бактерий. Представлен молекулой ДНК, соответствующей одной хромосоме. Она циркулярно замкнута, располагается в ядерной вакуоле, не имеет ограничивающей от цитоплазмы мембраны и митотического аппарата.
С ДНК связано небольшое количество РНК и РНК-полимеразы. ДНК свернуто вокруг центрального стержня, состоящего из РНК и представляет собой высокоупорядоченную компактную структуру. Хромосомы большинства прокариот имеют молекулярную массу в пределах 1-3х10 9 , константу седиментации 1300-2000 S. Молекула ДНК включает 1,6х10 7 нуклеотидных пар. Различия в генетическом аппарате прокариотных и эукариотных клеток обуславливает его название: у первых – нуклеоид (образование подобное ядру), в отличие от ядра у вторых.
В нуклеоиде бактерий содержится основная наследственная информация, которая реализуется в синтезе специфических белковых молекул. С ДНК бактериальной клетки связаны системы репликации, репарации, транскрипции и трансляции.
Нуклеоид в прокариотной клетке может быть выявлен в окрашенных препаратах с помощью светового или фазово-контрастного микроскопа. Для окрашивания ядерного вещества используется краситель Фельгена, который специфически окрашивает ДНК.
Метод окраски ДНК по Фельгену
Мазок из культуры бактерий фиксируют 2-3 мин метиловым спиртом и помещают в холодную 1% HCl на 1 мин.
Подвергают гидролизу при 60 0 С в 1% HCl 5-10 мин и споласкивают дистиллированной водой.
Помещают мазок в реактив Шиффа на 40-60 мин, промывают в водопроводной воде 2 мин.
В результате взаимодействия свободных альдегидных групп с бесцветной фуксинсернистой кислотой появляется фиолетовая окраска, свойственная основному фуксину.
У многих бактерий в цитоплазме обнаружены внехромосомные генетические элементы – плазмиды. Они представляют собой замкнутые в кольца двухцепочечные ДНК, состоящие из 1500-40 000 пар нуклеотидов и содержащие до 100 генов.
Плазмиды могут существовать в клетке и в интегрированном состоянии с бактериальной хромосомой, сохраняя при этом способность переходить к автономии.
12Строение пептидогликана у грамположительных и грамотрицательных бактерий. Его биологические свойства и значение для бактериальной клетки.
Клеточная стенка
Клеточная стенка представляет собой внешнюю структуру бактерий толщиной 30-35 нм, главным компонентом которой является пептидогликан (муреин). Пептидогликан является структурным полимером, состоящим из чередующихся субъединиц -ацетилглюкозамина и-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидными связями (рис. 2).
Параллельно расположенные полисахаридные (гликановые) цепи скреплены между собой поперечными пептидными мостиками (рис. 3).
Полисахаридный каркас легко разрушается лизоцимом – антибиотиком животного происхождения. Пептидные связи являются мишенью для пенициллина, который ингибирует их синтез и препятствует формированию клеточной стенки. Количественное содержание пептидогликана влияет на способность бактерий окрашиваться по Граму. Бактерии, имеющие значительную толщину муреинового слоя (90-95%), стойко окрашиваются генцианвиолетом в сине-фиолетовый цвет и носят название грамположительных бактерий. Грамотрицательные бактерии с тонким слоем пептидогликана (5-10%) в клеточной стенке после действия спирта утрачивают генцианвиолет и дополнительно окрашиваются фуксином в розовый цвет. Клеточные стенки у грамположительных и грамотрицательных прокариот резко различаются как по химическому составу (таблица 1), так и по ультраструктуре (рис. 4).
Кроме пептидогликана в клеточной стенке грамположительных бактерий содержатся тейхоевые кислоты (ТК), в меньшем количестве липиды, полисахариды, белки.
ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА (ЦПМ)
ЦПМ толщиной составляет 7-10 нм окружает цитоплазму бактериальной клетки и состоит из двойного слоя фосфолипидов,нейтральных липидов, гликолипидов и др., функция которых – поддержание механической стабильности ЦПМ и придание ей гидрофобных свойств.
Мембранные белки (интегральные и периферические) асимметрично включены в бислой фосфолипидов, их подразделяют на структурные и функциональные (ферменты).
Функции ЦПМ:
1) внутренний осмотический барьер, регулирующий избирательное поступление в клетку и выделение наружу различных веществ,
2) транспортная функция;
3) биосинтетическая активность;
4) энергетическая и дыхательная функции;
5) присоединение хромосомы и плазмид.
При инвагинации ЦПМ возникают внутриклеточные мембранные образования – мезосомы:
– пластинчатые (ламеллярные),
– трубчатые (тубулярные),
– везикулярные,
– смешанные.
По расположению в клетке мезосомы:
1) периферические,
2) ядерные (нуклеидосомы),
3) формирующиеся.
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ БАКТЕРИЙ
Рибосомы (70 S состоят из РНК (60-65%) и белка (35-40%), являются местом синтеза белка.
Хроматофоры у фотосинтезирующих бактерийв виде трубочек, пузырьков, сдвоенных мембранных пластин – тилакоидов .
Хлоросомы – продолговатой формы структуры, в которых находятся бактериохлорофиллы.
Фикобилисомы – полусферические или палочковидные гранулы, расположенные на фотосинтетических мембранах, содержат водорастворимые пигменты – фикобилипротеиды.
Карбоксисомы (или полиэдральные тела) – четырех- или шестигранные включения содержат фермент рибулозодифосфаткарбоксилазу.
Газовые вакуоли (или аэросомы) состоят из газовых пузырьков и являются регуляторами плавучести водных бактерий.
Магнитосомы убактерий, обладающих магнитотаксисом.
ВНУТРИЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ БАКТЕРИЙ
Цитоплазма – среда, связывающая внутриклеточные структуры в единую систему. Цитозоль – полужидкая коллоидная масса из воды (70-80 %) , РНК, ферментов.
Запасные вещества образуются в клетке в результате обмена веществ. По консистенции их делят на на жидкие (поли-β-оксибутират), полужидкие (сера) и твердые (гликоген):
1. Безазотистые органические запасные вещества
2. Гранулеза
3. Гликоген
4. Углеводородные гранулы
5. Поли-β-оксимасляная кислота (поли-β-оксибутират)обнаружена только у прокариот
6. Полифосфаты (волютин, или метахроматиновые гранулы)
7. Включения серы
8. Включения карбоната кальция
9. Параспоральные включения
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ БАКТЕРИЙ
Нуклеоид
Особенности генетического аппарат прокариот:
1) ядра бактерий не имеют ядерной оболочки и ДНК находится в контакте с цитоплазмой;
2) нет разделения на хромосомы и нить ДНК называется бактериальной хромосомой;
3) отсутствует митоз и мейоз.
Ядерный аппарат бактерий называют бактериальным ядром, или нуклеоидом.
Бактериальная хромосома в форме замкнутого кольца – это гигантская суперспирализованная молекула ДНК, не связанная с гистонами. Репликация ДНК осуществляется полуконсервативно.
В цитоплазме – линейные или кольцевые молекулы внехромосомной ДНК– плазмиды (внехромосомные детерминанты), незамкнутые – релаксированные, замкнутые – сверхспиральные .
Основные свойства бактериальных плазмид :
– способность к автономной репликации. Плазмиды со строгим контролем репликации иослабленным ,
– конъюгативность (трансмиссивность) –способность к самопередаче,
– интегрируемость,
– несовместимость,
– поверхностное исключение,
– инфекционность,
– фенотипические признаки, которые они придают бактериям: устойчивость к антибиотикам, катионам, анионам, мутагенам, бактериоцинам. Клетки с плазмидами способны вызывать биодеградацию веществ, синтезировать бактериоцины, гемолизин, фибринолизин, токсины, антигены, антибиотики, инсектициды, пигменты, поверхностные антигены; приобретают способность к конъюгации; индуцируют опухоли у растений; осуществляют рестрикцию и модификацию ДНК.
Плазмиды могут объединяться друг с другом или с фаговыми ДНК, образуя коинтеграты. В одной клетке может находиться несколько типов плазмид. Если плазмиды не могут сосуществовать в одной клетке, их называют несовместимыми .
По расположению:
1) автономные,
2) интегрированные репродуцируются одновременно с бактериальной хромосомой – эписомы .
Плазмиды:
1) трансмиссивные (F- и R-плазмиды), передаваемые при конъюгации;
2) нетрансмиссивные.
Функции плазмид:
1. Регуляторные компенсируют дефекты метаболизма, встраиваясь в поврежденный геном.
2. Кодирующие привносят в клетку новую генетическую информацию.
Виды плазмид:
1. F-плазмиды контролируют синтез F-пилей при конъюгации.
2. R-плазмиды – фактор множесственной лекарственной устойчивости.
3. Неконъюгативные плазмиды.
4. Плазмиды бактериоциногении – способности бактерий продуцировать специфические вещества (колицинами илибактериоцинами) , вызывающие гибель бактерий филогенетически родственных видов.
5. Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства.
6. Скрытые (криптические) плазмиды.
7. Плазмиды биодеградации.
Бактериальные плазмиды – объекты для изучения репликации и транскрипции ДНК, их используют в генной инженерии и селекции микробов.
Мигрирующие генетические элементы – отдельные участки ДНК, осуществляющие собственный перенос (транспозицию) внутри генома. Их виды:
1. Вставочные (инсерционные) последовательности (IS-элементы).
2. Транспозоны (Tn-элементы).
3. Умеренные или дефектные бактериофаги.
Структуру бактерий изучают с помощью электронной микроскопии целых клеток и их ультратонких срезов. Основными структурами бактериальной клетки являются: клеточная стенка, ци- топлазматическая мембрана, цитоплазма с включениями и ядро, называемое нуклеоидом. Бактерии могут иметь и дополнительные структуры: капсулу, микрокапсулу, слизь, жгутики, фимб- рии, пили; некоторые бактерии способны образовывать споры.
Размеры бактерий измеряют в микрометрах (мкм). Один микрометр равен 1000 нанометров (нм). В нанометрах измеряют от-дельные компоненты бактерий.
Клеточная стенка - прочная, упругая структура, придающая бактерии определенную форму и сдерживающая высокое осмотическое давление в клетке. Она участвует в процессе деления клетки и транспорте метаболитов. У грамположительных бактерий клеточная стенка толще, чем у грамотрицательных, достигая 50 нм и более. В клеточной стенке грамположительных бак-терий содержится небольшое количество полисахаридов, липи- дов и белков. Большую часть массы (40-90 %) клеточной стенки этих бактерий составляет пептидогликан (синонимы: муре- ин, муко пептид), ковалентно связанный с тейхоевыми кислотами (от греч. teichos - стенка). В клеточной стенке грамотрицательных бактерий пептидогликана содержится меньше (5-10 %).
Рис.2.2. Строение грамположительной (а) и грамотрицательной (б)
бактерий (схема).
К - капсула; КС - клеточная стенка; НМ - наружная мембрана; ПГ - пеп- тидогликан; ЦМ - цитоплазматическая мембрана; М - мезосомы; Р - рибо- сомй; В - волютин; Н - нуклеоид; Ж - жгутик; П - пили; ПД - перегородка деления. Стрелкой указано деление грамотрицательной бактерии путем образо-вания перетяжки.
Пептидогликан представлен параллельно расположенными молекулами гликана, состоящего из остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидной связью типа р (1->4). Гликановые молекулы связаны поперечной пептидной связью. Отсюда и название этого полимера - пепти- догликан. Основу пептидной связи составляют тетрапептиды, состоящие из чередующихся L- и D-аминокислот, например, L-аланин - D-глутаминовая кислота - мезодиаминопимелино- вая кислота - D-аланин. В пептидогликане грамположительных бактерий вместо мезодиаминопимелиновой кислоты часто содержится LL-диаминопимелиновая кислота или лизин. Элементы гликана (ацетилглюкозамин и ацетилмурамовая кислота) и ами-нокислоты тетрапептида (мезодиаминопимелиновая и D-глута-миновая кислоты, D-аланин) являются отличительной особен-ностью бактерии, поскольку отсутствуют у животных и человека. Способность грамположительных бактерий при окраске по Граму удерживать генциановый фиолетовый в комплексе с йодом (сине-фиолетовая окраска бактерий) связана со свойством многослойного пептидогликана взаимодействовать с краской. Обработка окрашенного по Граму мазка бактерий спиртом вызывает сужение пор в пептидогликане и тем самым задерживает краску в клеточной стенке. Наоборот, грамотрицательные бактерии после воздействия спиртом утрачивают краситель, обесцвечиваются и при обработке фуксином окрашиваются в красный цвет вследствие меньшего содержания пептидогликана (5-10 % массы клеточной стенки).
В состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий входит наружная мембрана (рис. 2.2), связанная посредством липо- протеина с подлежащим слоем пептидогликана. Наружная мембрана имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с внутренней мембраной, называемой цитоплазматической мембраной. Основной компонент этих мембран - бимолекулярный (двойной) слой липидов. Наружная мембрана является асим-метричной мозаичной структурой, представленной липополиса- харидами, фосфолипидами и белками. С внешней стороны ее расположен липополисахарид (ЛПС), состоящий из трех компонентов: липида А, базисной части, или ядра (от лат. core - кор), и О-специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями. Липополисахарид «заякорен» в наружной мембране липи- домА (рис. 2.3), придающим токсичность липополисахариду, отождествляемому поэтому с эндотоксином. От липида А отходит базисная часть липополисахарида. Наиболее постоянной частью ядра липополисахарида является кетодезоксиоктоновая кислота. О-специфическая цепь, отходящая от ядра липополисахарида, определяет серогруппу, серовар (разновидность бактерий, выявляемая с помощью иммунной сыворотки) определенного штамма бактерий. Таким образом, с понятием липополисахарида связаны представления об О-антигене, по которому можно дифференцировать бактерии.
Рис.2.3. Строение клеточной стенки и цитоплазматической мембраны грамотрицательных бактерий (схема).
JI - липид; П - протеин; ЛПС - липополисахарид.
Белки матрикса наружной мембраны пронизывают ее таким образом, что молекулы белка, называемые поринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие молекулы массой до 7 кД. Между наружной и цитоплазматической мембранами находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты. При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием фермента лизоци- ма или пенициллина, а также защитных факторов организма образуются клетки с измененной, часто шаровидной формой; протопласты - бактерии, полностью лишенные клеточной стенки, и сферопласты - бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. После удаления ингибитора синтеза клеточной стенки такие измененные бактерии могут реверсировать, т. е. приобретать полноценную клеточную стенку и восстанавливать исходную форму. Бактерии сферопластного или протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные к размножению, называются L-формами. L-формы могут возникать и в результате мутаций. Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. L-формы могут образовывать многие бактерии - возбудители инфекционных болезней.
Цитоплазматическая мембрана является трехслойной структурой и окружает наружную часть цитоплазмы бактерий. По структуре она похожа на цитоплазматическую мембрану клеток животных; состоит из двойного слоя липидов, главным образом фосфолипидов со встроенными поверхностными и интегральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. Некоторые из них являются пермеазами, участвующими в транспорте веществ. Цитоплазматическая мембрана является динамической структурой с подвижными компонентами, поэтому ее представляют как мобильную, текучую структуру. Она участвует в регуляции осмотического давления, транспорте веществ и энергетическом метаболизме клетки (за счет ферментов цепи переноса электронов, АТФ-азы и др.).
При избыточном росте по сравнению с ростом клеточной стенки цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты, т.е. впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемых мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами. Роль мезо- сом и внутрицитоплазматических мембран до конца не выяснена. Полагают, что они участвуют в делении клетки, обеспечивая энергией синтез клеточной стенки, секреции веществ, спо-рообразовании, т. е. в процессах, сопровождающихся большой затратой энергии.
Цитоплазма бактерий занимает основной объем клетки и состоит из растворимых белков. Рибосомы бактерий имеют коэффициент седиментации 70 S в отличие от рибосом, характерных для эукариотических клеток (80 S). Поэтому некоторые антибиотики, действие которых основано на подавлении синтеза белка путем связывания их с рибосомами бактерий, не оказывают влияния на синтез белка эукариотических клеток. В цитоплазме имеются различные включения - полисахариды, полир-масляная кислота и полифосфаты (волютин). Они накапливаются при избытке питательных веществ в окружающей среде и выполняют роль запасных веществ для питания и энергетических потребностей. Зерна волютина выявляются у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки.
Нуклеоид (образование, подобное ядру) - эквивалент ядра у бактерий. Нуклеоид расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитчатой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уло-женной наподобие клубка. В отличие от эукариот ядро бактерий не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гис- тонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК. При нарушении деления в ней может находиться 4 хромосомы и более.
Нуклеоид выявляется в световом микроскопе после окраски специфическими для ДНК методами по Фельгену или Гимзе. На электронограммах ультратонких срезов бактерий нуклеоид имеет вид светлых зон с фибриллярными, нитевидными структурами ДНК.
Кроме нуклеоида, представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды (см. раздел 5.2).
Некоторые бактерии (пневмококки, клебсиеллы и др.) обра-зуют капсулу - слизистое образование, прочно связанное с клеточной стенкой, имеющее четко очерченные внешние гра-ницы. Капсула различима в мазках-отпечатках из патологического материала. В чистых культурах бактерий капсула образуется реже. Она выявляется при специальных методах окраски, создающих негативное контрастирование вещества капсулы. Обычно капсула состоит из полисахаридов (экзополисахаридов), иногда по- липептидов, например у сибиреязвенной бациллы. Капсула гидрофильна, она препятствует фагоцитозу бактерий. Многие бактерии образуют микро кап сул у - слизистое образование, выявляемое при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слизь - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких внешних границ. Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам), их еще называют гли- кокаликсом.
Кроме того, что бактериальные экзополисахариды синтезируются бактериями путем секреции их компонентов, существует и другой механизм их образования - при действии внеклеточных ферментов на дисахариды. В результате этого образуются декстраны и леваны. Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания, так как они гидрофильны и хорошо связывают воду, препятствуют действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов.
Жгутики бактерий определяют их подвижность. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплаз- матической мембраны; длина их больше, чем длина клетки. Толщина жгутиков 12-20 нм, длина - 3-12 мкм. Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного вибриона до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии (перитрих), у кишечной палочки, протея и др.
Рис.2.4. Кишечная палочка. Электронограмма.
і - жгутики; 2 - ворсинки; 3 - F-пили с адсорбированными сферическими бактериофагами (препарат В.С.Тюрина).
і mm»
Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки, амфитрихи - по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки. Жгутики прикреплены к ци- топлазматической мембране и клеточной стенке специальными дисками. По химическому составу жгутики состоят из белка - флагеллина (от англ. flagella - жгутик), обладающего антигенной специфичностью. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали. Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии препаратов, напыленных тяжелыми металлами (рис. 2.4), или в световом микроскопе после обработки препаратов специальными методами (например, после серебрения).
Фимбрии и пили - нитевидные образования (см. рис. 2.4), более тонкие и короткие (3-20 нм*0,3-10 мкм), чем жгутики. Фимбрии отходят от поверхности клетки и состоят из белка, называемого пилином. Среди фимбрий разного типа выделяют фимбрии, ответственные за адгезию, т. е. прикрепление бакте-рий к поражаемой клетке (например, пили 1 общего типа - common pili); фимбрии, ответственные за питание, водно-соле-вой обмен; половые (F-пили), или конъюгационные, пили. Пили общего типа многочисленны и достигают нескольких сотен в одной клетке. Термин «пили» применяется чаще для обозначения особых фимбрий - половых пилей, образуемых так называемыми мужскими клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F, R, Col); их количество 1-2 на клетку. Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми «мужскими» сферическими бактериофагами.
Споры - своеобразная форма покоящихся фирмикутных бактерий, т. е. бактерий с грамположительным типом строения клеточной стенки. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий, сопровождающихся высушиванием, дефицитом питательных веществ и т. д. При этом внутри одной бактерии образуется одна спора. Поэтому образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения, как у грибов. Спорообразующие аэробные бактерии, у которых размер споры не превышает диаметра клетки, называются бациллами, а спорообразующие анаэробные бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки и они поэтому принимают форму веретена, называются клостридиями (от лат. Clostridium- веретено).
Процесс спорообразования проходит ряд стадий, в течение которых часть цитоплазмы и хромосома отделяются, окружаясь цитоплазматической мембраной; образуется проспора, затем формируется многослойная плохо проницаемая оболочка. Спорообразование сопровождается интенсивным потреблением проспо- рой, а затем формирующейся оболочкой споры дипиколиновой кислоты и ионов кальция. После формирования всех структур спора приобретает термоустойчивость, которую связывают с наличием дипиколината кальция. Спорообразование, форма и расположение спор в клетке (вегетативной) являются видовым свойством бактерий, что позволяет отличать их друг от друга. Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке терминальное - на конце палочки (возбудитель стол-бняка), субтерминальное - ближе к концу палочки (возбудители ботулизма, газовой гангрены) и центральное (сибиреязвенная бацилла).
Специфические элементы споры, включая многослойную оболочку и дипиколинат кальция, обусловливают ее свойства: она долго может сохраняться в почве, например возбудители сибирской язвы и столбняка - десятки лет. В благоприятных условиях они прорастают, проходя три стадии: активацию, инициацию, вырастания. При этом из одной споры образуется одна бактерия. Активация - готовность к прорастанию. Она ускоряется при прогревании при температуре 60-80 °С. Инициация прорастания длится несколько минут. Вырастание характеризуется быстрым ростом, сопровождающимся разрушением оболочки споры и выходом проростка.
Каждый, кому приходилось разрушать бактериальные клетки в мягких условиях, например, с помощью лизоцима или детергентов, наблюдал замечательную картину превращения легко подвижной суспензии бактериальных клеток в вязкую желеобразную массу, простое перемешивание которой требует усилий. Это происходит из- за того, что компактно упакованные гигантские хромосомы бактериальных клеток (длина хромосомной ДНК E. coli составляет около 4,6 млн. п.о.) после разрушения оболочки клеток выходят в окружающую среду и свободно в ней распределяются. В лизатах бактериальных клеток их ДНК прочно ассоциированы с белками, освобождение от которых требует проведения многократных фенольных депротеинизаций. Такой простой опыт наглядно указывает на то, что в бактериальных клетках их единственная хромосома сильно компактизована и, возможно, пространственно упорядочена.
Электронно-микроскопическое изучение срезов бактериальных клеток показало компактное распределение ДНК в бактериальной клетке. Поскольку такие структуры отдаленно напоминали ядра эукариот, они получили название нуклеоидов, или ДНК-плазмы . Нуклеоиды представлены в виде диффузно окрашенных областей, свободных от рибосом ( рис. I.1,а). При этом вытянутые участки ДНК на внешней части нуклеоидов направлены в окружающую цитоплазму. С помощью специфических антител установлено, что молекулы РНК-полимеразы , ДНК-топоизомеразы I и гистоноподобного белка HU ассоциированы с нуклеоидами. Вытянутые участки ДНК по периферии нуклеоидов обычно интерпретируют как сегменты бактериальной хромосомы, вовлеченные в транскрипцию. Эти участки состоят из петель ДНК бактериальной хромосомы, которые в зависимости от физиологического состояния клетки находятся в транскрипционно- активном состоянии или втягиваются внутрь нуклеоидов при подавлении транскрипции.
Модель функционально-активного нуклеоида А.Райтера и А.Чанга представлена на рис. I.1,б . Размытая структура поверхности нуклеоидов, видимая под электронным микроскопом, отражает подвижное состояние активно транскрибируемых петель ДНК. В этой модели прослеживается аналогия со структурой хромосом типа ламповых щеток у животных.
Нуклеоид бактериальных клеток не является статическим внутриклеточным образованием или компартментом, которые можно четко определять морфологически. Во время различных фаз роста бактериальных клеток нуклеоид непрерывно меняет форму, что сопряжено с транскрипционной активностью определенных бактериальных генов. Так же как и в хромосомах эукариот, ДНК нуклеоида ассоциирована со многими ДНК-связывающими белками, в частности, гистоноподобными белками HU , H-NS и IHF , а также топоизомеразами , которые оказывают большое влияние на функционирование бактериальных хромосом и их внутриклеточную компактизацию. Детальные молекулярные механизмы конденсации бактериальной ДНК с образованием лабильных " компактосом " (по аналогии со стабильными нуклеосомами эукариот) неизвестны.
Возрастает интерес к бактериальному так называемому LP-хроматину (low protein chromatin) , для которого характерно относительно низкое содержание белкового компонента. Аналогичный LP-хроматин обнаруживают у вирусов, в митохондриях, пластидах и у динофлагеллят (жгутиконосцев).