Структура бактериальной клетки

Структура бактериальной клетки

Структура бактериальной клетки
Основные структуры
клеточная стенка,
цитоплазматическая мембрана,
цитоплазма с включениями,
нуклеоид.
Бактериальную клетку окружает оболочка, состоящая из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны.
Под оболочкой находится цитоплазма, состоящая из цитозоля и содержащая нуклеоид, рибосомы и включения.
Основные структуры присущи всем бактериальным клеткам.
Дополнительные структуры
капсула,
жгутики,
пили,
плазмиды.
Некоторые бактерии в неблагоприятных условиях способны образовывать споры (эндоспоры).
Дополнительные структуры имеются не у всех бактерий.

Бактериальная оболочка
Состоит из клеточной стенки и располагающейся под ней цитоплазматической мембраны.
Клеточная стенка - это ригидная структура, которая придает бактериальной клетке определенную форму.
Она защищает внутреннее содержимое клетки от вредных воздействий внешней среды, участвует в процессах деления клетки и транспорта метаболитов.
На поверхности клеточной стенки располагаются рецепторы для бактериофагов, бактериоцинов, антибиотиков и других химических веществ.

По строению клеточной стенки различают
фирмикутные бактерии, Firmicutes (грамположительные, толстостенные),
грациликутные бактерии, Gracilicutes (грамотрицательные, тонкостенные),
бактерии, не имеющие клеточной стенки (микоплазмы).
Подразделение бактерий на грамположительные и грамотрицательные основано на разном восприятии красителей при окраске по методу, предложенному датским бактериологом Г. К. Грамом.
Ганс Кристиан Грам (1853-1938)

Клеточная стенка грамположительных бактерий
Гомогенный слой толщиной 20-80 нм.
Состоит из многослойного пептидогликана (муреина), пронизанного молекулами тейхоевой и липотейхоевой кислот.
Пептидогликан клеточной стенки образован параллельно расположенными молекулами гликана, состоящего из остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных вдоль гликозидной связью. В поперечном направлении молекулы гликана соединены пептидной связью, состоящей из четырех аминокислот (тетрапептид).

Клеточная стенка грамположительных бактерий
Тейхоевые кислоты представляют собой цепи из остатков глицерола и рибитола, соединенных фосфатными мостиками.
Пептидогликан и тейхоевые кислоты формируют муреиновый мешок, покрывающий клетку снаружи. Тейхоевые кислоты позволяют муреиновому мешку растягиваться и сжиматься, действуя наподобие пружин. Тейхоевые кислоты выполняют антигенную и адгезивную функции грамположительных бактерий.
Пептидогликан плотно прилегает к цитоплазматичекой мембране.
Клеточная стенка содержит также небольшое количество полисахаридов, белков и липидов.
В клеточной стенке имеются поры диаметром 1-6 нм, через которые внутрь клетки проникают различные вещества.

Клеточная стенка грамположительных бактерий
При окраске по Граму толстый слой пептидогликана Гр+ бактерий удерживает генциановый фиолетовый в комплексе с йодом. Последующая обработка препарата спиртом вызывает суживание пор в пептидогликане и тем самым усиливает задержку фиолетового красителя в клеточной стенке. Заключительная окраска препарата фуксином не изменяет первоначальной окраски клеток. Грамположительные бактерии окрашиваются в сине-фиолетовый цвет.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий
Толщина 14-18 нм.
Выделяют внешнюю мембрану и тонкий пептидогликановый слой или муреиновый мешок.
Внешняя мембрана представляет собой фосфолипидный бислой, содержащий белки и липополисахарид.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий
Липополисахарид состоит из трех составных частей:
липид А - специфический гликолипид, встроенной в фосфолипидный бислой, закрепляющий молекулу ЛПС во внешней мембране и придающий липополисахариду токсические свойства;
ядро - центральная (стержневая, коровая) область полисахаридной природы;
боковая О-цепь, образованная повторяющимися олигосахаридами (О-антиген).

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий
С помощью мембранного липопротеина внешняя мембрана связана с подлежащим слоем пептидогликана.
Пептидогликан Гр- бактерий является однослойным (толщина – 2-3 нм) и не содержит тейхоевых кислот.
Под слоем пептидогликана располагается ЦМ.
Между НМ, слоем пептидогликана и ЦМ имеется полость, называемая периплазматическим пространством (периплазмой) толщиной не более 10 нм. Это пространство заполнено гелем, содержащим транспортные белки и ферменты. В периплазматическом геле располагается муреиновый мешок.
Белки наружной мембраны включают порины, трансмембранные белки и белки, участвующие в формировании поверхностных структур (пилей, жгутиков). Порины образуют каналы для проникновения воды и мелких молекул. Трансмембранные белки обеспечивают связь с муреиновым мешком.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий
При окраске по Граму тонкий слой пептидогликана грамотрицательных бактерий под воздействием этилового спирта утрачивает комплекс генцианового фиолетового и йода. При последующей обработке фуксином или сафранином клетки приобретают красный цвет.

Содержание муреина (пептидогликана) у грамположительных бактерий составляет 50-90% сухого вещества клеточной стенки, а у грамотрицательных бактерий –
1-12%.

Клеточная стенка микобактерий
Клеточная стенка состоит из липополисахаридно-мукопептидного комплекса, фибриллы которого содержат миколовую кислоту.
Пептидогликан микобактерии представляет собой двухмерную сеть, которая обеспечивает жесткость клеточной стенки.
С пептидогликаном ковалентно связан полисахарид арабиногалактан, к которому в свою очередь присоединяются молекулы миколовых кислот.
В результате в клеточной стенке образуется своеобразный каркас - химический комплекс миколовая кислота-арабиногалактан-пептидогликан, составляющий основу клеточной оболочки микобактерии.

Клеточная стенка микобактерий
Кислотоустойчивые бактерии с трудом воспринимают красители в результате наличия в клеточной стенке специфических компонентов (липиды, воска). Основным методом окрашивания кислотоустойчивых бактерий является метод Циля-Нельсена.
Кислотоустойчивые бактерии по методу Циля-Нельсена окрашиваются в рубиново-красный цвет, некислотоустойчивые бактерии - в синий цвет.
Mycobacterium tuberculosis

Грамположительные бактерии:
Кокки (за исключением р. Neisseria, р. Veillonella);
Спорообразующие палочки (р. Bacillus, р. Clostridium);
р. Corynebacterium, р. Mycobacterium, р. Listeria.
Грамотрицательные бактерии:
Кокки р. Neisseria (гонококки и менингококки), р. Veillonella;
Палочковидные бактерии не образующие спор;
Извитые формы (вибрионы, спириллы, спирохеты).

Listeria monocytogenes
Clostridium botulinum
Neisseria gonorrhoeae
Neisseria meningitidis

Клеточная стенка бактерий выполняет следующие функции:
предохраняет клетку от вредных воздействий окружающей среды;
обеспечивает постоянство формы клетки;
сообщает бактериальной клетке антигенные свойства;
регулирует рост и деление клетки;
участвует в поступлении внутрь клетки некоторых молекул;
обеспечивает тинкториальные свойства бактерий (отношение к красителям).

Окраска по Граму
1. На фиксированный препарат наносят несколько капель раствора генцианового фиолетового или помещают полоску фильтровальной бумаги, на которую наливают раствор красителя. Краситель выдерживают в течение 1-2 мин, после чего избыток красителя сливают.
2. Не промывая препарат, наносят несколько капель раствора Люголя и выдерживают в течение 1-2 мин до почернения препарата.
3. На препарат наносят несколько капель этилового спирта (96%) и выдерживают в течение 30 сек. Затем спирт сливают, препарат промывают водой, избыток воды сливают.
4. На препарат наносят несколько капель раствора фуксина и выдерживают в течение 1-2 минут. Избыток красителя смывают водой.
5. Препарат высушивают фильтровальной бумагой и досушивают на воздухе.

Лизоцим,
Пенициллин,
Гуморальные факторы организма
Нарушение синтеза компонентов клеточной стенки
Бактерии полностью или частично лишаются клеточной стенки, образуя шаровидные формы. Такие формы имеют размеры, превышающие исходные клетки в несколько раз.
Бактерии, полностью лишенные клеточной стенки - протопласты, бактерии, частично сохранившие клеточную стенку - сферопласты

Образование протопластов характерно для грамположительных бактерий. Протопластообразование сопровождается утратой толстой пептидогликановой клеточной стенки. Протопласты содержат только цитоплазматическую мембрану. Для их поддержания требуется изотоническая среда. Они устойчивы к антибиотикам и бактериофагам.
Сферопласты образуются грамотрицательными бактериями. Сопровождается утратой внешней мембраны клеточной стенки. Но сферопласты наряду с цитоплазматической мембраной содержат тонкий слой пептидогликана.
Для поддержания сферопластов также требуется среда с повышенным осмотическим давлением. Сферопласты способны взаимодействовать с бактериофагами, так как содержат остатки пептидогликанового слоя. После удаления ингибиторов, вызвавших нарушение синтеза клеточной стенки, измененные бактерии реверсируют в исходное состояние.

Бактерии, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные размножаться, называются L-формами (от названия Института им. Д. Листера в Лондоне, где они впервые были изучены).
L-формы бактерий представляют собой осмотически чувствительные шаровидные или колбовидные клетки различной величины.
Стабильные L-формы не способны к реверсии в исходные бактериальные клетки.
Нестабильные L-формы возвращаются в исходную бактериальную форму после удаления фактора, приведшего к изменению бактерий.
L-формы могут образовывать многие возбудители инфекционных болезней, в том числе в организме человека или животных.
Образование L-форм бактерий называется L-трансформацией.

Жгутики
Жгутики выявляются при световой микроскопии только после специального окрашивания: серебрением по Морозову, окраской по Грею.
Толщина жгутиков равна 12-20 нм, длина - 3-15 мкм.
Жгутик состоит из 3 частей:
базальное тельце;
крюк (колено);
спиралевидная нить (филамент, собственно жгутик).
Базальное тельце включает в себя стержень с системой дисков и белки мотора. Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. Базальное тельце является своего рода электромотором, вращающим жгутик.
Жгутики состоят из особого белка флагеллина (flagellum - жгутик). Этот белок обладает высокой антигенной активностью (Н-антиген бактерий). Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.

У грамотрицательных бактерий имеется две пары дисков, а у грамположительных бактерий - одна пара дисков

В зависимости от количества и локализации жгутиков выделяют следующие группы бактерий:
монотрихи - бактерии, имеющие один жгутик, например, холерный вибрион;
лофотрихи - бактерии, имеющие пучок жгутиков на одном из концов клетки, например, кампилобактерии;
амфитрихи - бактерии, имеющие по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки, например, спириллы;
перитрихи - бактерии, имеющие большое количество жгутиков, покрывающих всю поверхность клетки, например, кишечная палочка.

Пили (фимбрии, ворсинки)
Нитевидные выросты на поверхности клетки.
Толщина 2-10 нм и длина 0,3-20 мкм.
Располагаются либо перитрихиально, либо локализуются на одном из концов клетки.
Берут начало от цитоплазматической мембраны и состоят из белка пилина.
Белковые субъединицы закручены вокруг полой сердцевины.
Пили встречаются как у подвижных, так и неподвижных бактерий.
Они обладают антигенностью.
Различают общие пили или пили первого типа (пили-адгезины, отвечают за адгезию бактерий к различным субстратам) и половые пили, пили второго типа или конъюгативные пили (F-пили).
Общие пили детерминируются хромосомными генами, а конъюгативные пили - внехромосомным фактором фертильности (F-плазмидой). Обычно на одну клетку приходится несколько сотен пилей, среди них обнаруживается 1-3 половых пили.

Эндоспора
Устойчивая к неблагоприятным воздействиям покоящаяся форма некоторых грамположительных бактерий.
Спорообразование является формой сохранения наследственной информации в неблагоприятных условиях.
Эндоспоры образуются внутри вегетативных клеток бактериями родов Bacillus, Clostridium, Sporolactobacillus, Sporosarcina.
Внутри бактериальной клетки образуется одна эндоспора.

Спорообразование
ЦМ врастает внутрь клетки и окружает нуклеоид с частью цитоплазмы, формируя спорогенную зону. В результате этого клетка разделяется на две части, одна из которых содержит нуклеоид и является будущей спорой.
Стадия предспоры характеризуется образованием двухслойной оболочки, между мембранами которой в дальнейшем формируется толстый пептидогликановый слой - кортекс (кора).
Стадия созревания споры сопровождается включением большого количества дипиколиновой кислоты и ионов кальция в споровую оболочку. На этой стадии спора покрывается толстой многослойной оболочкой.
В последующем остатки материнской клетки лизируются и зрелая спора высвобождается в окружающую среду.

Типы расположения спор:
Субтерминальное (у возбудителя ботулизма);
Терминальное (у возбудителя столбняка);
Центральное (у возбудителя сибирской язвы).
Споры кислотоустойчивы. Для их окраски используют метод Ожешко (Ауески) или Циля-Нельсена. При этом эндоспоры окрашиваются в красный цвет, а вегетативные клетки - в сине-фиолетовый цвет.

Прорастание споры
Стадия активации - изменяются мембранные ферменты, проявляется дыхательная активность.
Стадия инициации, при которой спора активно поглощает воду, набухает, утрачивает термоустойчивость.
Образование зрелой вегетативной клетки происходит во время стадии вырастания, в течение которой происходит синтез белков и образование клеточных структур.
Из одной споры вырастает одна вегетативная клетка.

Окраска по Бурри-Гинсу
Выявление капсул бактерий
Исследуемый материал смешивают с тушью
Окраска фуксином

Окраска по Нейссеру

Окраска по методу Ожешки
На предметном стекле готовят густой мазок исследуемой культуры, высушивают его и, не фиксируя, наливают на него 0,5% раствор соляной кислоты.
Препарат подогревают в течение 2 минут до появления паров. Кислоту сливают.
Препарат промывают водой, высушивают и фиксируют.
На препарат помещают полоску фильтровальной бумаги и наносят несколько капель карболового фуксина Циля.
Препарат подогревают на пламени спиртовки до появления паров.
Препарат обесцвечивают 5% серной кислотой и докрашивают дополнительно метиленовой синькой в течение 3-5 минут.
Споры окрашиваются фуксином в ярко-красный цвет, а вегетативные клетки обесцвечиваются серной кислотой и окрашиваются метиленовой синькой в синий цвет.