Bakterinės ląstelės struktūriniai komponentai skirstomi į 2 tipus:
- pagrindinės struktūros(ląstelės sienelė, citoplazminė membrana su jos dariniais, citoplazma su ribosomomis ir įvairiais intarpais, nukleoidas);
- laikinieji statiniai(kapsulė, gleivinė, žvyneliai, gaureliai, endosporos, kurios susidaro tik tam tikrais bakterijų gyvavimo ciklo etapais).
Pagrindinės struktūros.
ląstelių sienelės esantis citoplazminės membranos išorėje. Citoplazminė membrana nėra ląstelės sienelės dalis. Ląstelės sienelės funkcijos:
Bakterijų apsauga nuo osmosinio šoko ir kitų žalingų veiksnių;
Bakterijų formos nustatymas;
Dalyvavimas bakterijų metabolizme.
Ląstelės sienelė yra persmelkta porų, per kurias pernešami bakteriniai egzotoksinai. Ląstelės sienelės storis 10–100 nm. Pagrindinis bakterijų ląstelės sienelės komponentas yra peptidoglikanas arba mureinas, susidedantis iš kintančių N-acetil-N-gliukozamino ir N-acetilmuramo rūgšties liekanų, sujungtų glikozidiniais ryšiais.
1884 metais H. Gramas pasiūlė bakterijų dažymo gencijonine violetine, jodu, etilo alkoholiu ir purpurine spalva metodą. Visos bakterijos, priklausomai nuo Gramo dėmės, skirstomos į 2 grupes: gramteigiamas ir gramneigiamas. Gramteigiamų bakterijų ląstelių sienelė tvirtai prilimpa prie citoplazminės membranos, jos storis 20-100 nm. Jame yra techo rūgščių (glicerolio arba ribitolio polimerų), taip pat nedidelis kiekis polisacharidų, baltymų ir lipidų. Gramneigiamų bakterijų ląstelių sienelė daugiasluoksnis, jo storis 14-17 nm. Vidinis sluoksnis (peptidoglikanas) sudaro ploną ištisinį tinklelį. Išorinis sluoksnis susideda iš fosfolipidų, lipoproteinų ir baltymų. Išorinės membranos baltymai yra glaudžiai susieti su peptidoglikano sluoksniu.
Tam tikromis sąlygomis bakterijos netenka galimybės visiškai arba iš dalies sintetinti ląstelės sienelės komponentus, todėl susidaro protoplastai, sferoplastai ir bakterijų L formos. Sferoplastai yra bakterijos su iš dalies sunaikinta ląstelės sienele. Jie matomi gramneigiamose bakterijose. Protoplastai yra formos, visiškai neturinčios ląstelės sienelės. Juos gamina gramteigiamos bakterijos. L formos bakterijos yra bakterijų mutantai, kurie iš dalies arba visiškai prarado gebėjimą sintetinti ląstelės sienelės peptidoglikaną (bakterijos su pažeista ląstelės sienele). Jie gavo savo pavadinimą iš Listerio instituto Anglijoje, kur jie buvo atidaryti 1935 m., pavadinimo.
Citoplazminė membrana (CPM) ir jos dariniai. Citoplazminė membrana (plazmolema) yra pusiau pralaidi bakterinės ląstelės lipoproteinų struktūra, skirianti citoplazmą nuo ląstelės sienelės. Jis sudaro 8-15% sausos ląstelės masės. Jo sunaikinimas sukelia ląstelių mirtį. Elektroninė mikroskopija atskleidė jo trijų sluoksnių struktūrą. Citoplazminė membrana yra baltymų (50-75%) ir lipidų (15-20%) kompleksas. Didžiąją dalį lipidų sudaro fosfolipidai. Be to, membranoje buvo rastas nedidelis angliavandenių kiekis.
Bakterijų CPM atlieka šias funkcijas:
Barjerinė funkcija (molekulinis „sietelis“);
Energija;
Atrankinis įvairių organinių ir neorganinių molekulių ir jonų perkėlimas specialių nešėjų – translokazių arba permeazių pagalba;
Chromosomos replikacija ir vėlesnis dalijimasis.
Ląstelių augimo procese citoplazminė membrana sudaro daugybę invaginacijų (invaginacijų), vadinamų mezosomos.
Citoplazma - Tai yra bakterinės ląstelės turinys, kurį riboja citoplazminė membrana. Jį sudaro citozolis ir struktūriniai elementai.
Citozolis- vienalytė frakcija, įskaitant tirpius RNR komponentus, fermentus, medžiagų apykaitos produktus.
Struktūriniai elementai- tai ribosomos, intracitoplazminės membranos, intarpai ir nukleoidai.
Ribosomos- organelės, vykdančios baltymų sintezę. Jie sudaryti iš baltymų ir RNR. Tai 15-20 nm skersmens granulės. Vienoje bakterijos ląstelėje yra nuo 5000 iki 50000 ribosomų. Ribosomos yra baltymų sintezės vieta.
Prokariotų citoplazmoje randama įvairių inkliuzų, atstovaujančių rezervines ląstelės medžiagas. Iš ląstelėse esančių polisacharidų nusėda glikogenas, krakmolas ir į krakmolą panaši medžiaga – granulozė. Polifosfatai yra granulėse, vadinamose volutin, arba metachromatinės, grūdai.
Nukleoidas yra prokariotų branduolys. Jį sudaro viena dvigrandė DNR grandinė, uždaryta žiedu, kuris laikomas bakterine chromosoma. Nukleoidas neturi branduolio apvalkalo.
Be nukleoido, bakterijos ląstelėje buvo rasta ekstrachromosominių genetinių elementų - plazmidės, kurios yra mažos žiedinės DNR molekulės, galinčios autonomiškai replikuotis. Plazmidžių vaidmuo yra tas, kad jos koduoja papildomas savybes, kurios suteikia ląstelei pranašumų tam tikromis egzistavimo sąlygomis. Dažniausios plazmidės, lemiančios bakterijų atsparumo antibiotikams požymius (R-plazmidės), enterotoksinų (Ent-plazmidės) arba hemolizinų (Hly-plazmidės) sintezę.
KAM laikinieji statiniai apima kapsules, žvynelius, pilius, bakterijų endosporas.
Kapsulė - tai gleivinis sluoksnis virš bakterijos ląstelės sienelės. Kapsulių medžiaga susideda iš polisacharidų gijų. Kapsulė sintetinama išoriniame citoplazminės membranos paviršiuje ir tam tikrose vietose išleidžiama ant ląstelės sienelės paviršiaus.
Kapsulės funkcijos:
Kapsulinių antigenų, lemiančių bakterijų virulentiškumą, antigeninį specifiškumą ir imunogeniškumą, išsidėstymas;
Ląstelių apsauga nuo mechaninių pažeidimų, išsausėjimo, toksinių medžiagų, užkrėtimo fagais, apsauginių makroorganizmo faktorių veikimo;
Ląstelių gebėjimas prisitvirtinti prie substrato.
Flagella - Tai yra bakterijų judėjimo organai. Vėliavos nėra gyvybiškai svarbios struktūros ir gali būti arba nebūti bakterijose, priklausomai nuo augimo sąlygų. Žvynelių skaičius ir jų vieta skirtingose bakterijose nėra vienodi. Priklausomai nuo to, išskiriamos šios suragėjusių bakterijų grupės:
- monotiškas- bakterijos su vienu poliariniu žvyneliu;
- amfitrichas- bakterijos, turinčios dvi poliarines žiuželes arba turinčios žvynelių pluoštą abiejuose galuose;
- lopotrichas- bakterijos, kurių viename ląstelės gale yra žvynelių pluoštelis;
- peritrichas- bakterijos su daugybe žvynelių, esančių ląstelės šonuose arba visame jos paviršiuje.
Žuvų cheminę sudėtį atspindi baltymai flagellinas.
Bakterinės ląstelės paviršiaus struktūros taip pat apima villi Ir išgėrė. Šios struktūros dalyvauja adsorbuojant ląsteles ant substrato (villi, paprastieji piliai) ir perduodant genetinę medžiagą (lyties pilis). Juos sudaro specifinis hidrofobinis baltymas pilin.
Kai kuriose bakterijose tam tikromis sąlygomis susidaro ramybės formos, kurios užtikrina ląstelių išlikimą ilgą laiką nepalankiomis sąlygomis - endosporos. Jie yra atsparūs nepalankiems aplinkos veiksniams.
Sporų vieta ląstelėje:
Centrinis (judligės sukėlėjas);
Subterminalas - arčiau pabaigos (botulizmo sukėlėjas);
Terminalas - lazdos gale (stabligės sukėlėjas).
Nukleoidas yra bakterijų branduolinis aparatas. Atstovauja vieną chromosomą atitinkančia DNR molekule. Jis yra apskritai uždarytas, yra branduolinėje vakuolėje, neturi membranos ir mitozinio aparato, ribojančio nuo citoplazmos.
Nedideli RNR ir RNR polimerazės kiekiai yra susiję su DNR. DNR yra susukta aplink centrinę RNR šerdį ir yra labai tvarkinga kompaktiška struktūra. Daugumos prokariotų chromosomų molekulinė masė yra 1-3x10 9 intervale, sedimentacijos konstanta 1300-2000 S. DNR molekulėje yra 1,6x10 7 nukleotidų poros. Prokariotinių ir eukariotinių ląstelių genetinio aparato skirtumai lemia jos pavadinimą: pirmajame tai yra nukleoidas (darinys, panašus į branduolį), priešingai nei antrosiose esantis branduolys.
Bakterijų nukleoide yra pagrindinė paveldima informacija, kuri realizuojama specifinių baltymų molekulių sintezėje. Replikacijos, taisymo, transkripcijos ir vertimo sistemos yra susijusios su bakterinės ląstelės DNR.
Nukleoidą prokariotinėje ląstelėje galima aptikti dažytuose preparatuose, naudojant šviesos arba fazinio kontrasto mikroskopą. Felgeno dažai naudojami branduolinei medžiagai nudažyti, kuri specifiškai nudažo DNR.
Felgeno DNR dažymo metodas
Bakterijų kultūros tepinėlis fiksuojamas 2-3 minutes metilo alkoholiu ir 1 minutei dedamas į šaltą 1 % HCl.
Hidrolizuojamas 60 0 C temperatūroje 1% HCl 5-10 minučių ir skalaujamas distiliuotu vandeniu.
Tepinėlis 40-60 minučių dedamas į Šifo reagentą, 2 minutes plaunamas vandentiekio vandeniu.
Dėl laisvųjų aldehidų grupių sąveikos su bespalve fuksino sieros rūgštimi atsiranda violetinė spalva, būdinga baziniam fuksinui.
Daugelio bakterijų citoplazmoje buvo rasta ekstrachromosominių genetinių elementų – plazmidžių. Tai dvigrandė DNR, uždaryta žiedais, susidedanti iš 1500–40 000 bazinių porų ir turinti iki 100 genų.
Plazmidės gali egzistuoti ląstelėje ir integruotoje būsenoje su bakterijų chromosoma, išlaikant galimybę pereiti į autonomiją.
12 Peptidoglikano struktūra gramteigiamose ir gramneigiamose bakterijose. Jo biologinės savybės ir reikšmė bakterijų ląstelei.
ląstelių sienelės
Ląstelės sienelė yra išorinė 30-35 nm storio bakterijų struktūra, kurios pagrindinis komponentas yra peptidoglikanas (mureinas). Peptidoglikanas yra struktūrinis polimeras, susidedantis iš kintančių -acetilgliukozamino ir -acetilmuramo rūgšties subvienetų, sujungtų glikozidiniais ryšiais (2 pav.).
Lygiagrečiai išsidėsčiusios polisacharidų (glikanų) grandinės yra sujungtos skersiniais peptidiniais tilteliais (3 pav.).
Polisacharidų stuburą lengvai sunaikina lizocimas – gyvūninės kilmės antibiotikas. Peptidiniai ryšiai yra penicilino taikinys, kuris slopina jų sintezę ir neleidžia susidaryti ląstelės sienelėms. Kiekybinis peptidoglikano kiekis turi įtakos bakterijų gebėjimui dažytis pagal gramą. Bakterijos, turinčios didelį mureino sluoksnio storį (90–95%), visam laikui nudažomos gencijonų violetine mėlynai violetine spalva ir vadinamos gramteigiamosiomis bakterijomis. Gramneigiamos bakterijos su plonu peptidoglikano sluoksniu (5-10%) ląstelės sienelėje po alkoholio poveikio praranda gencijonų violetinę spalvą ir papildomai nusidažo purpurine rožine spalva. Gramteigiamų ir gramneigiamų prokariotų ląstelių sienelės labai skiriasi tiek chemine sudėtimi (1 lentelė), tiek ultrastruktūra (4 pav.).
Be peptidoglikano, gramteigiamų bakterijų ląstelių sienelėje yra teiko rūgščių (TA), lipidų, polisacharidų ir mažesniu kiekiu baltymų.
CITOPLAZMINĖ MEMBRANA (MUT)
7-10 nm storio CPM supa bakterinės ląstelės citoplazmą ir susideda iš dvigubo sluoksnio fosfolipidų, neutralių lipidų, glikolipidų ir kt., kurių funkcija yra palaikyti mechaninį CPM stabilumą ir suteikti jai hidrofobines savybes.
Membraniniai baltymai (integraliniai ir periferiniai ) asimetriškai įtraukti į dvisluoksnį fosfolipidų sluoksnį, jie skirstomi į struktūrinius ir funkcinius (fermentus).
MUT funkcijos:
1) vidinis osmosinis barjeras, reguliuojantis selektyvų patekimą į ląstelę ir įvairių medžiagų išsiskyrimą į išorę;
2) transporto funkcija;
3) biosintetinis aktyvumas;
4) energetinės ir kvėpavimo funkcijos;
5) chromosomos ir plazmidžių prijungimas.
Su CPM invaginacija, tarpląstelinis membranos dariniai - mezosomos:
- lamelinis (lamelinis),
- vamzdinis (vamzdinis),
- pūslelinė,
- sumaišytas.
Pagal vietą mezosomų ląstelėje:
1) periferinė,
2) branduolinės (nukleidosomos),
3) atsirandantis.
BAKTERIJŲ VIDULĄSTELĖS STRUKTŪROS
Ribosomos(70 S susideda iš RNR (60-65%) ir baltymų (35-40%), yra baltymų sintezės vieta.
Chromatoforai fotosintetinėse bakterijose kanalėlių, pūslelių, dvigubos membranos plokštelių pavidalu - tilakoidai.
Chlorosoma - pailgos formos dariniai, kuriuose yra bakteriochlorofilai.
Fikobilisomos- pusrutulio arba lazdelės formos granulėse, esančiose ant fotosintetinių membranų, yra vandenyje tirpių pigmentų - fikobiliproteinų.
Karboksisomos(arba daugiakampiai kūnai) – keturių ar šešių pusių inkliuzuose yra fermento ribulozės difosfato karboksilazės.
Dujų vakuolės (arba aerosomos) susideda iš dujų burbuliukų ir yra vandens bakterijų plūdrumo reguliatoriai.
magnetosomos ubakterijos su magnetotaksis.
INTRACITOPLAZMATINIS BAKTERIJŲ APRAŠYMAS
Citoplazma - aplinka, sujungianti tarpląstelines struktūras į vieną sistemą. Citozolis- pusiau skysta koloidinė vandens masė (70-80%), RNR, fermentai.
Atsarginės medžiagos susidaro ląstelėje dėl metabolizmo. Pagal konsistenciją jie skirstomi į skystus (poli-β-hidroksibutiratas), pusiau skystus (siera) ir kietus (glikogenas):
1. Organinės atsarginės medžiagos be azoto
2. Granuliozė
3. Glikogenas
4. Angliavandenilių granulės
5. Poli-β-hidroksisviesto rūgštis (poli-β-hidroksibutiratas), randama tik prokariotuose
6. Polifosfatai (volutino arba metachromatino granulės)
7. Sieros intarpai
8. Kalcio karbonato intarpai
9. Parasporaliniai intarpai
GENETINIS BAKTERIJŲ APARATAS
Nukleoidas
Prokariotų genetinio aparato ypatybės:
1) bakterijų branduoliai neturi branduolinės membranos ir DNR kontaktuoja su citoplazma;
2) nėra dalijimosi į chromosomas ir DNR grandinė vadinama bakterine chromosoma;
3) nėra mitozės ir mejozės.
Bakterijų branduolinis aparatas vadinamas bakterijos branduolys arba nukleoidas.
Bakterijų chromosoma uždaro žiedo pavidalu yra milžiniška superspiralinė DNR molekulė, nesusijusi su histonais. DNR replikacija yra pusiau konservatyvi.
Citoplazmoje – linijinės arba žiedinės ekstrachromosominės DNR molekulės – plazmidės (ekstrachromosomų determinantai), atviras - atsipalaidavęs, uždaryta - superspiralinis.
Pagrindinės bakterijų plazmidžių savybės:
- gebėjimas savarankiškai daugintis. Plazmidės su griežta replikacijos kontrole Ir susilpnėjęs,
- konjugatyvumas (perduodamumas) - gebėjimas perduoti save,
- integruojamumas,
- nesuderinamumas
- paviršutiniška atskirtis,
- užkrečiamumas,
– fenotipinės savybės, kurias jie suteikia bakterijoms: atsparumas antibiotikams, katijonams, anijonams, mutagenams, bakteriocinams. Ląstelės su plazmidėmis gali sukelti medžiagų biologinį skaidymą, sintetinti bakteriocinus, hemoliziną, fibrinoliziną, toksinus, antigenus, antibiotikus, insekticidus, pigmentus, paviršiaus antigenus; įgyti gebėjimą konjuguoti; sukelti auglius augaluose; atlikti DNR apribojimą ir modifikavimą.
Plazmidės gali susijungti viena su kita arba su fago DNR, kad susidarytų kointegruojasi. Vienoje ląstelėje gali būti kelių tipų plazmidžių. Jei plazmidės negali egzistuoti toje pačioje ląstelėje, jos vadinamos nesuderinamas.
Pagal vietą:
1) savarankiškas,
2) integruoti yra dauginami kartu su bakterine chromosoma - epizodai.
Plazmidės:
1) perduodamos (F ir R plazmidės), perduodamos konjugacijos metu;
2) neperduodama.
Funkcijos plazmidė:
1. Reguliatoriai kompensuoja medžiagų apykaitos defektus, integruodamiesi į pažeistą genomą.
2. Kodavimo įrenginiai į ląstelę atneša naują genetinę informaciją.
Plazmidžių tipai:
1. F-plazmidės kontroliuoja F-piliulių sintezę konjugacijos metu.
2. R-plazmidės – daugelio vaistų atsparumo faktorius.
3. Nekonjugacinės plazmidės.
4. Bakteriocinogeniškumo plazmidės – bakterijų gebėjimas gaminti specifines medžiagas ( kolicinai arba bakteriocinai) kurios sukelia filogenetiškai giminingų rūšių bakterijų mirtį.
5. Patogeniškumo plazmidės kontroliuoja virulentiškumo savybes.
6. Paslėptos (paslaptingos) plazmidės.
7. Plazmidžių biologinis skaidymas.
Bakterijų plazmidės yra DNR replikacijos ir transkripcijos tyrimo objektai, naudojami genų inžinerijoje ir mikrobų veisime.
Migruojantys genetiniai elementai yra atskiros DNR dalys, kurios genome atlieka savo perkėlimą (perkėlimą). Jų tipai:
1. Įterpimo sekos (IS-elementai).
2. Transpozonai (Tn-elementai).
3. Vidutinio sunkumo arba defektiniai bakteriofagai.
Bakterijų struktūra tiriama naudojant ištisų ląstelių ir jų itin plonų pjūvių elektroninę mikroskopiją. Pagrindinės bakterinės ląstelės struktūros yra: ląstelės sienelė, citoplazminė membrana, citoplazma su inkliuzais ir branduolys, vadinamas nukleoidu. Bakterijos gali turėti ir papildomų struktūrų: kapsulę, mikrokapsulę, gleives, žvynelius, fimbrijas, pilius; Kai kurios bakterijos gali formuoti sporas.
Bakterijos matuojamos mikrometrais (µm). Vienas mikrometras yra lygus 1000 nanometrų (nm). Atskiri bakterijų komponentai matuojami nanometrais.
Ląstelės sienelė yra stipri, elastinga struktūra, kuri suteikia bakterijoms tam tikrą formą ir sulaiko aukštą osmosinį slėgį ląstelėje. Jis dalyvauja ląstelių dalijimosi procese ir metabolitų pernešime. Gramteigiamų bakterijų ląstelės sienelė yra storesnė nei gramneigiamų bakterijų, kurios siekia 50 nm ar daugiau. Gramteigiamų bakterijų ląstelių sienelėje yra nedidelis kiekis polisacharidų, lipidų ir baltymų. Didžioji dalis šių bakterijų ląstelės sienelės masės (40-90%) yra peptidoglikanas (sinonimai: mureinas, muco peptidas), kovalentiškai susijęs su teiko rūgštimis (iš graikų teichos – sienelė). Gramneigiamų bakterijų ląstelės sienelėje yra mažiau peptidoglikano (5-10%).
2.2 pav. Gramteigiamų (a) ir gramneigiamų (b) struktūra
bakterijos (schema).
K - kapsulė; CS - ląstelės sienelė; NM - išorinė membrana; PG, peptidoglikanas; CM – citoplazminė membrana; M - mezosomos; P – ribosoma; B - volutin; H – nukleoidas; F - žvyneliai; P - gėrė; PD – padalijimo skaidinys. Rodyklė rodo gramneigiamos bakterijos pasiskirstymą susiaurėjus.
Peptidoglikaną vaizduoja lygiagrečios glikano molekulės, susidedančios iš N-acetilgliukozamino ir N-acetilmuramo rūgšties liekanų, sujungtų p (1->4) glikozidine jungtimi. Glikano molekulės yra sujungtos kryžminiais peptidiniais ryšiais. Iš čia ir kilo šio polimero pavadinimas – peptidoglikanas. Peptidinio ryšio pagrindas yra tetrapeptidai, susidedantys iš kintančių L- ir D-aminorūgščių, pavyzdžiui, L-alaninas - D-glutamo rūgštis - mezodiaminopimelio rūgštis - D-alaninas. Gramteigiamų bakterijų peptidoglikane dažnai vietoj mezodiaminopimelio rūgšties yra LL-diaminopimelio rūgšties arba lizino. Glikano elementai (acetilgliukozaminas ir acetilmuramo rūgštis) ir tetrapeptidinės aminorūgštys (mezodiaminopimelio ir D-glutamo rūgštys, D-alaninas) yra išskirtinė bakterijos savybė, nes jų nėra gyvūnams ir žmonėms. Gramo dažymo metu gramteigiamų bakterijų gebėjimas išlaikyti gencijonų violetinę spalvą kartu su jodu (mėlynai violetinė bakterijų spalva) yra susijusi su daugiasluoksnio peptidoglikano savybe sąveikauti su dažais. Gramu nudažyto bakterijų tepinėlio apdorojimas alkoholiu sukelia peptidoglikano porų susitraukimą ir taip išlaiko dėmę ląstelės sienelėje. Priešingai, gramneigiamos bakterijos po alkoholio poveikio netenka dažų, dėl mažesnio peptidoglikano kiekio (5-10 % ląstelės sienelės masės) pakeičia spalvą ir paraudo, kai gydoma fuksinu.
Gramneigiamų bakterijų ląstelės sienelėje yra išorinė membrana (2.2 pav.), lipoproteinu sujungta su apatiniu peptidoglikano sluoksniu. Išorinė membrana atrodo kaip banguota trijų sluoksnių struktūra, panaši į vidinę membraną, vadinamą citoplazmine membrana. Pagrindinis šių membranų komponentas yra bimolekulinis (dvigubas) lipidų sluoksnis. Išorinė membrana yra asimetrinė mozaikinė struktūra, kurią sudaro lipopolisacharidai, fosfolipidai ir baltymai. Jo išorėje yra lipopolisacharidas (LPS), susidedantis iš trijų komponentų: lipido A, pagrindinės dalies arba šerdies (iš lotynų kalbos šerdis – šerdis) ir O specifinės polisacharidų grandinės, susidarančios kartojant identiškas oligosacharidų sekas. Lipopolisacharidas yra „įtvirtintas“ išorinėje lipidomos membranoje (2.3 pav.), o tai suteikia lipopolisacharidui toksiškumą, todėl jis tapatinamas su endotoksinu. Lipidas A palieka pagrindinę lipopolisacharido dalį. Pati pastoviausia lipopolisacharido šerdies dalis yra ketodeoksioktono rūgštis. O specifinė grandinė, besitęsianti nuo lipopolisacharido šerdies, nustato tam tikros bakterijos padermės serogrupę, serovarą (bakterijų tipą, aptinkamą naudojant imuninį serumą). Taigi lipopolisacharido sąvoka siejama su idėjomis apie O-antigeną, pagal kurį galima diferencijuoti bakterijas.
2.3 pav. Gramneigiamų bakterijų ląstelės sienelės ir citoplazminės membranos sandara (schema).
JI – lipidas; P - baltymas; LPS yra lipopolisacharidas.
Išorinės membranos matricos baltymai prasiskverbia į ją taip, kad baltymų molekulės, vadinamos porinais, ribojasi su hidrofilinėmis poromis, pro kurias praeina vanduo ir mažos molekulės, sveriančios iki 7 kD. Tarp išorinės ir citoplazminės membranos yra periplazminė erdvė arba periplazma, kurioje yra fermentų. Sutrikus bakterijų ląstelės sienelės sintezei, veikiant fermentui lizocimui ar penicilinui, taip pat apsauginiams organizmo faktoriams, susidaro pakitusios, dažnai sferinės formos ląstelės; protoplastai yra bakterijos be ląstelės sienelės, o sferoplastai yra bakterijos su iš dalies išsaugota ląstelės sienele. Pašalinus ląstelės sienelės sintezės inhibitorių, tokios pakitusios bakterijos gali apsisukti, t.y. įgyti pilnavertę ląstelės sienelę ir atkurti pradinę formą. Sferoplasto arba protoplasto tipo bakterijos, kurios, veikiant antibiotikams ar kitiems veiksniams, prarado gebėjimą sintetinti peptidoglikaną ir yra pajėgios daugintis, vadinamos L formomis. L formos taip pat gali atsirasti dėl mutacijų. Tai osmosiškai jautrios, sferinės, kolbos formos įvairaus dydžio ląstelės, įskaitant ir praeinančias per bakterijų filtrus. L formos gali sudaryti daug bakterijų, sukeliančių infekcines ligas.
Citoplazminė membrana yra trijų sluoksnių struktūra ir supa išorinę bakterinės citoplazmos dalį. Savo struktūra jis panašus į gyvūnų ląstelių citoplazminę membraną; susideda iš dvigubo lipidų sluoksnio, daugiausia fosfolipidų su įmontuotu paviršiumi ir vientisais baltymais, kurie tarsi prasiskverbia pro membranos struktūrą. Kai kurios iš jų yra permeazės, susijusios su medžiagų transportavimu. Citoplazminė membrana yra dinamiška struktūra su judriais komponentais, todėl pristatoma kaip mobili, skysta struktūra. Dalyvauja osmosinio slėgio reguliavime, medžiagų pernešime ir ląstelės energijos apykaitoje (dėl elektronų transportavimo grandinės fermentų ATPazės ir kt.).
Esant per dideliam augimui, lyginant su ląstelės sienelės augimu, citoplazminės membranos formos invaginuoja, t.y. invaginacijos sudėtingai susuktų membraninių struktūrų, vadinamų mezosomomis, pavidalu. Mažiau sudėtingos susuktos struktūros vadinamos intracitoplazminėmis membranomis. Mezosomų ir intracitoplazminių membranų vaidmuo nebuvo iki galo išaiškintas. Manoma, kad jie dalyvauja ląstelių dalijimuisi, teikdami energiją ląstelės sienelės sintezei, medžiagų sekrecijai, sporų formavimuisi, t.y., procesuose, kuriuos lydi didelis energijos sąnaudas.
Bakterijų citoplazma užima didžiąją ląstelės dalį ir susideda iš tirpių baltymų. Bakterijų ribosomų nusėdimo koeficientas yra 70 S, priešingai nei ribosomos, būdingos eukariotų ląstelėms (80 S). Todėl kai kurie antibiotikai, kurių veikimas pagrįstas baltymų sintezės slopinimu, sujungiant juos su bakterijų ribosomomis, neturi įtakos eukariotinių ląstelių baltymų sintezei. Citoplazmoje yra įvairių intarpų – polisacharidų, polisviesto rūgšties ir polifosfatų (volutino). Jie kaupiasi su maistinių medžiagų pertekliumi aplinkoje ir veikia kaip rezervinės medžiagos mitybos ir energijos poreikiams tenkinti. Volutino grūdeliai difterijos baciloje aptinkami intensyviai dažytų ląstelės polių pavidalu.
Nukleoidas (darymas, panašus į branduolį) yra bakterijų branduolio atitikmuo. Nukleoidas yra centrinėje bakterijų zonoje dvigrandės DNR pavidalu, uždarytas žiedu ir sandariai supakuotas kaip ritė. Skirtingai nuo eukariotų, bakterijų branduolys neturi branduolinės membranos, branduolio ir pagrindinių baltymų (histonų). Paprastai bakterijų ląstelėje yra viena chromosoma, kurią vaizduoja DNR molekulė, uždaryta žiede. Jei dalijimasis sutrikęs, jame gali būti 4 ar daugiau chromosomų.
Nukleoidas aptinkamas šviesos mikroskopu po dažymo DNR specifiniais metodais pagal Feulgen arba Giemsa. Itin plonų bakterijų sekcijų elektronų difrakcijos modeliuose nukleoidas turi šviesos zonų formą su fibrilinėmis, siūliškomis DNR struktūromis.
Be nukleoido, pavaizduoto viena chromosoma, bakterijos ląstelėje yra ekstrachromosominių paveldimumo faktorių – plazmidžių (žr. 5.2 skyrių).
Kai kurios bakterijos (pneumokokai, Klebsiella ir kt.) sudaro kapsulę – gleivinę darinį, tvirtai susijusį su ląstelės sienele, su aiškiai apibrėžtomis išorinėmis ribomis. Kapsulė išsiskiria tepinėliais-atspaudais nuo patologinės medžiagos. Grynose bakterijų kultūrose kapsulė susidaro rečiau. Jis aptinkamas specialiais dažymo metodais, kurie sukuria neigiamą kapsulės medžiagos kontrastą. Paprastai kapsulę sudaro polisacharidai (egzopolisacharidai), kartais polipeptidai, pavyzdžiui, juodligės baciloje. Kapsulė yra hidrofilinė, ji apsaugo nuo bakterijų fagocitozės. Daugelis bakterijų sudaro mikrokapsules, gleivinę darinį, kurį galima pamatyti elektroniniu mikroskopu. Gleives reikėtų skirti nuo kapsulės – gleivinių egzopolisacharidų, kurie neturi aiškių išorinių ribų. Bakteriniai egzopolisacharidai dalyvauja sukibime (prilimpa prie substratų), jie dar vadinami glikokaliksu.
Be to, kad bakterinius egzopolisacharidus bakterijos sintetina išskirdamos jų komponentus, yra ir kitas jų susidarymo mechanizmas – veikiant tarpląsteliniams fermentams disacharidams. Dėl to susidaro dekstranai ir levanai. Kapsulė ir gleivės apsaugo bakterijas nuo pažeidimų, išsausėjimo, nes yra hidrofilinės ir gerai suriša vandenį, neleidžia veikti apsauginiams makroorganizmo ir bakteriofagų faktoriams.
Bakterijų žvyneliai lemia jų judrumą. Flagela yra plonos gijos, kilusios iš citoplazminės membranos; jų ilgis didesnis už ląstelės ilgį. Žvynelių storis 12-20 nm, ilgis 3-12 mikronų. Įvairių rūšių bakterijų žvynelių skaičius svyruoja nuo vieno (monotrich) Vibrio cholerae iki dešimties ar šimtų žvynelių, besitęsiančių palei bakterijos perimetrą (peritrich), Escherichia coli, Proteus ir kt.
2.4 pav. Escherichia coli. elektronograma.
i - žvyneliai; 2 - gaureliai; 3 - F-gėrė su adsorbuotais sferiniais bakteriofagais (V.S. Tyurino preparatas).
aš mm"
Lophotrichous viename ląstelės gale turi krūvą žvynelių, amfitrichas turi vieną žvynelį arba krūvą žvynelių priešinguose ląstelės galuose. Žvyneliai yra pritvirtinti prie citoplazminės membranos ir ląstelės sienelės specialiais diskais. Pagal cheminę sudėtį žvyneliai susideda iš baltymo – flagellino (iš anglų kalbos flagella – flagellum), kuris pasižymi antigeniniu specifiškumu. Flagellino subvienetai yra suvynioti. Vėliavos nustatomos naudojant sunkiaisiais metalais apipurkštų preparatų elektroninę mikroskopiją (2.4 pav.), arba šviesos mikroskopu, apdorojant preparatus specialiais metodais (pavyzdžiui, pasidabravus).
Fimbriae ir pili yra siūliški dariniai (žr. 2.4 pav.), plonesni ir trumpesni (3-20 nm * 0,3-10 mikronų) už žiuželius. Fimbrijos tęsiasi nuo ląstelės paviršiaus ir yra sudarytos iš baltymo, vadinamo pilinu. Tarp įvairių tipų fimbrijų fimbrijos yra atsakingos už sukibimą, t.y., bakterijų prisitvirtinimą prie paveiktos ląstelės (pavyzdžiui, įprasto tipo pilis 1 – paprastieji piliai); fimbrija, atsakinga už mitybą, vandens-druskos apykaitą; seksualinis (F-drink), arba konjugacinis, gėrė. Bendrojo tipo pilų yra daug ir vienoje ląstelėje siekia kelis šimtus. Sąvoka „gėrė“ dažniau vartojama kalbant apie specialius pilius – seksualinius pilius, susidarančius iš vadinamųjų vyriškųjų donorų ląstelių, turinčių pernešamų plazmidžių (F, R, Col); jų skaičius yra 1-2 vienoje ląstelėje. Išskirtinis sekso pilių bruožas yra sąveika su specialiais „vyriškais“ sferiniais bakteriofagais.
Sporos yra savotiška ramybės būsenos bakterijų forma, tai yra bakterijos, turinčios gramteigiamą ląstelių sienelės struktūrą. Sporos susidaro nepalankiomis bakterijoms egzistuoti sąlygomis, kartu su džiūvimu, maistinių medžiagų trūkumu ir pan. Tokiu atveju vienos bakterijos viduje susidaro viena spora. Todėl sporų susidarymas prisideda prie rūšies išsaugojimo ir nėra dauginimosi būdas, kaip grybams. Sporas formuojančios aerobinės bakterijos, kurių sporų dydis neviršija ląstelės skersmens, vadinamos bacilomis, o sporas formuojančios anaerobinės bakterijos, kurių sporų dydis viršija ląstelės skersmenį ir todėl įgauna verpstės formą, vadinamos klostridijomis. (iš lot. Clostridium – verpstė).
Sporuliacijos procesas praeina eilę etapų, kurių metu atskiriama dalis citoplazmos ir chromosomos, apsuptos citoplazmine membrana; susidaro prospora, tada susidaro daugiasluoksnis prastai laidus apvalkalas. Sporuliaciją lydi intensyvus prosporos suvartojimas, o vėliau ir formuojantis dipikolino rūgšties ir kalcio jonų sporų apvalkalas. Susidarius visoms struktūroms, sporos įgauna terminį stabilumą, kuris yra susijęs su kalcio dipikolinato buvimu. Sporuliacija, sporų forma ir vieta ląstelėje (vegetatyvinė) yra bakterijų rūšies savybė, leidžianti jas atskirti viena nuo kitos. Ginčo forma gali būti ovali, sferinė; vieta ląstelėje yra galinė - lazdelės gale (stabligės sukėlėjas), subterminalinė - arčiau lazdelės galo (botulizmo sukėlėjai, dujinė gangrena) ir centrinė (juodligės bacila).
Specifiniai sporos elementai, įskaitant daugiasluoksnį apvalkalą ir kalcio dipikolinatą, lemia jos savybes: ji gali išlikti dirvožemyje ilgą laiką, pavyzdžiui, juodligės ir stabligės sukėlėjai – dešimtmečius. Esant palankioms sąlygoms, jie dygsta per tris etapus: aktyvacijos, iniciacijos, augimo. Tokiu atveju iš vienos sporos susidaro viena bakterija. Aktyvinimas – pasirengimas dygimui. Jis pagreitėja kaitinant 60-80 ° C temperatūroje. Dygimo pradžia trunka keletą minučių. Augimui būdingas greitas augimas, lydimas sporos lukšto sunaikinimo ir sėjinuko išlaisvinimo.
Kiekvienas, kuriam teko naikinti bakterijų ląsteles švelniomis sąlygomis, pavyzdžiui, lizocimu ar plovikliais, pastebėjo nuostabų vaizdą, kaip lengvai judanti bakterijų ląstelių suspensija virsta klampiomis želė pavidalo masėmis, kurias paprasta sumaišyti. pastangos. Taip yra dėl to, kad kompaktiškai supakuotos milžiniškos bakterijų ląstelių chromosomos (E. coli chromosominės DNR ilgis apie 4,6 mln. bp) po ląstelės membranos sunaikinimo patenka į aplinką ir joje laisvai pasiskirsto. Bakterijų ląstelių lizatuose jų DNR yra stipriai susijusi su baltymais, kurių išsiskyrimui reikia daugybinių fenolio deproteinizacijų. Toks paprastas eksperimentas aiškiai rodo, kad bakterijų ląstelėse jų viena chromosoma yra labai sutankinta ir galbūt erdviškai sutvarkyta.
Elektroninis mikroskopinis bakterijų ląstelių sekcijų tyrimas parodė kompaktišką DNR pasiskirstymą bakterijų ląstelėje. Kadangi tokios struktūros iš tolo priminė eukariotų branduolius, jos buvo vadinamos nukleoidais arba plazmos DNR. Nukleoidai pateikiami kaip difuziškai nudažytos sritys, kuriose nėra ribosomų (I.1a pav.). Šiuo atveju išorinėje nukleoidų dalyje esančios pailgos DNR dalys nukreipiamos į aplinkinę citoplazmą. Naudojant specifinius antikūnus, buvo nustatyta, kad RNR polimerazės, DNR topoizomerazės I ir į histoną panašaus baltymo HU molekulės yra susijusios su nukleoidais. Išplėstos DNR sritys išilgai nukleoidų periferijos paprastai aiškinamos kaip bakterijų chromosomos segmentai, dalyvaujantys transkripcija. Šios sritys susideda iš bakterijų chromosomos DNR kilpų, kurios, priklausomai nuo ląstelės fiziologinės būklės, yra transkripciškai aktyvios būsenos arba yra įtraukiamos į nukleoidus, kai transkripcija slopinama.
A. Reiterio ir A. Chango funkciškai aktyvaus nukleoido modelis parodytas fig. I.1, b. Išsklaidyta nukleoidų paviršiaus struktūra, matoma elektroniniu mikroskopu, atspindi aktyviai transkribuotų DNR kilpų mobilią būseną. Šiame modelyje galima atsekti analogiją su gyvūnų chromosomų struktūra, pavyzdžiui, lempų šepetėliais.
Bakterijų ląstelės nukleoidas nėra statinis tarpląstelinis darinys ar skyrius, kurį būtų galima aiškiai apibrėžti morfologiškai. Įvairiose bakterijų ląstelių augimo fazėse nukleoidas nuolat keičia formą, kuri yra susijusi su tam tikrų bakterijų genų transkripcijos aktyvumu. Kaip ir eukariotų chromosomose, nukleoidinė DNR yra susijusi su daugeliu DNR jungiančių baltymų, ypač su histono tipo baltymais HU, H-NS ir IHF, taip pat su topoizomerazėmis, turinčiomis didelę įtaką bakterijų chromosomų ir jų funkcionavimui. intraląstelinis tankinimas. Išsamūs molekuliniai bakterijų DNR kondensacijos mechanizmai, kad susidarytų labilios „kompaktosomos“ (panašios į stabilias eukariotų nukleosomas), nežinomi.
Didėja susidomėjimas bakterijų vadinamuoju LP-chromatinu (mažai baltymų turinčiu chromatinu), kuriam būdingas santykinai mažas baltyminio komponento kiekis. Panašus LP chromatinas randamas virusuose, mitochondrijose, plastidėse ir dinoflagellatuose (flagelatuose).