МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Микробиология как фундаментальная биологическая наука включает ряд самостоятельных научных дисциплин со своими целями и задачами: общую, техническую (промышленную), сельскохозяйственную, ветеринарную и имеющую наибольшее значение для человека - медицинскую микробиологию.
К отдельным наиболее важным разделам медицинской микробиологии можно отнести клиническую микробиологию. Санитарную микробиологию, медицинскую микологию и протозоологию, медицинскую паразитологию и т.д.
И так микробиология – это наука о микроорганизмах. Сам термин «микроорганизмы» - понятие собирательное. Объединяет все микроорганизмы только один единственный признак - малые размеры. В зависимости от строения клеток все живые организмы делятся на эукариоты и прокариоты.
Из эукариотов к миру микроорганизмов относятся простейшие и грибы. Изучением простейших занимается самостоятельная наука – паразитология. А изучением грибов занимается то же самостоятельная наука – микология. Прокариоты – это бактерии. И еще выделяют отдельное самостоятельное царство – это царство вирусов.
В этом семестре мы будем изучать бактериологию.
И так бактерии – это прокариоты. В основном одноклеточные, лишенные хлорофилла. Размеры бактерий измеряют в микрометрах и колеблются от 0,1-0,3 до 10-15 мкм. В зависимости от формы клеток все бактерии делятся на кокки, палочки и извитые формы.
Для изучения морфологий бактерий используются различные виды микроскопии. Как вы знаете, микроскопия бывает световая и электронная. Конечно, мы с вами будем изучать морфологию с помощью световой микроскопии.
Различают несколько видов световой микроскопии: это иммерсионная (вы будете ее использовать на практических занятиях), фазово-контрастная, люминесцентная и темнопольная.
Применяя, различные методы исследования удалось составить современные представления о морфологии бактериальной клетки.
Во-первых, вспомним основные отличия прокариотов от эукариотов:
Прокариоты имеют морфологические особенности строения ядерного аппарата. Эти морфологические особенности заключаются в том, что
- ядерный аппарат прокариот лишен ядерной мембраны и отсутствует ядрышко. Его эквивалентом является нуклеоид, представляющим собой замкнутую кольцевую двунитевую молекулу ДНК, прикрепленную к ЦПМ.
- клетки прокариот лишены типичного эндоплазматического ретикулюма и аппарата Гольджи
- рибосомы прокариот относятся к рибосомам 70 S типа.
-бактериальные клетки лишены митохондрий, и их функцию выполняют ЦПМ и ее инвагинации (мезосомы). Они связаны с нуклеоидом и участвуют в делении, спорообразовании и дыхании клетки.
- в клеточной стенки прокариот содержится вещество – пептидогликан – муреин, который отсутствует в клетках эукариотов.
Основные морфологические структуры бактериальной клетки.
Снаружи клетка окружена клеточной стенкой, к ней прилегает ЦПМ (плазмолемма). Она ограничивает цитоплазму, в которой располагаются: ядерный аппарат, рибосомы и различного рода включения.
Помимо этих обязательных структур ряд бактерий образуют споры. Подвижные бактерии передвигаются с помощью жгутиков. Некоторые бактерии могут образовывать капсулу. И большинство бактерий на поверхности клеточной стенки несут ворсинки (или по-другому их называют фимбрии или пили).
Клеточная стенка.
Это упругое ригидное образование, которое снаружи покрывает клетку. Клеточная стенка выполняет чрезвычайно важные функции:
- придает клетке определенную форму и размеры
-выполняет защитную функцию
-является стабилизатором осмотического давления (не дает, чтобы внешняя среда их сплющила)
-кл. стенка участвует в процессах питания и размножения
- в клеточной стенке располагается основной О-АГ
-с кл. стенкой связана способность к продукции эндотоксина.
В 1885 г. датский ученый Грам предложил свой способ окраски бактерий, и согласно этому способу все бактерии делятся на грам+ и грам- .
В дальнейшем установлено, что различное отношение к окраске по граму является важным таксономическим признаком, с которым коррелируют основные биологические свойства бактерий.
В связи с этим все бактерии делятся на 4 большие отдела:
1-ый Грациликуты – бактерии с тонкой клеточной стенкой, грам-, к ним относятся различные извитые, палочковидные, кокковидные формы бактерий, а также риккетсии и хламидии.
2-ый Фирмикуты (прочные) бактерии с толстой клеточной стенкой, грам+, к ним относятся палочковидные, кокковидные формы бактерий, а также актиномицеты, коринобактерии и микобактерии.
3-й Тенерикуты – бактерии лишенные клеточной стенки – микоплазмы.
4-ый Мендозикуты – среди них патогенных нет.
Встает естественный вопрос – почему одни грам+, другие - грам - ? Различное отношение к окраске по Граму (тинкториальные свойства) связано с разным качественным и количественным составом их клеточной стенки.
У грам+ бактерий основную массу клеточной стенки (до 80%) составляет муреин. А поверх этого мощного слоя идет слой, состоящий из веществ другой химической природы, в том числе тейхоевые кислоты, которые имеются только у грам+ бактерий.
У грам - бактерий совершенно иное строение клеточной стенки. Основа, которая придает клетке ригидность, также состоит из муреина, но на его долю приходится не более 20%. А поверх его располагается наружная внешняя мембрана, которая состоит из 6 слоев различного химического состава. Среди этих слоев для нас представляет интерес, (имеет важное значение) ЛПС – липополисахарид. Он состоит из двух фрагментов – липид А, который отвечает за свойства эндотоксина и полисахарид – отвечает за свойства О-АГ.
Принцип окраски по Граму.
На приготовленный мазок-препарат наносят генциан-виолет, а затем раствор Люголя.
Генциан-виолет с раствором Люголя образует комплексное соединение темно-фиолетового цвета, который фиксируется в клетке на уровне ЦПМ.
Второй этап. Обработка спиртом. После обработки грам+ бактерий, этот комплекс не отдают цвет и бактерии остаются темно-фиолетового цвета. А у грам - бактерий этот комплекс вымывается спиртом. И они обесцвечиваются. Для того, что бы их увидеть существует третий этап – окраска фуксином (фуксин – имеет розовый цвет). В результате, грам+ бактерии будут темно-фиолетовые, а грам - - розовые.
Строение муреина.
Он состоит из параллельных слоев аминосахаров, которые между собой соединяются поперечными сшивками пептидной природы. Эти сшивки ковалентно замыкаются при участии особой группы ферментов. Эти ферменты чувствительны к действию пенициллина и называются пенициллин связывающими белками.
ЛПС грам - бактерий не пропускает через себя экзогенные гидрофильные соединения. К этим веществам можно отнести ряд питательных веществ и некоторые АБ. Поэтому у грам - бактерий имеются специальные воронкообразные структуры и называются париновые канальцы. Именно через них в клетку поступают питательные вещества и ряд АБ. Высокомолекулярные гидрофильные соединения (пенициллин) не могут проходить через эти канальцы и поэтому грам - бактерии обладают природной устойчивостью к пенициллину.
Гидрофобные соединения (макролиды) могут проникать через ЛПС.
При окраске по граму клеточная стенка не видна. О ее наличии можно судить при помещении бактериальной клетки в гипертонический раствор: цитоплазма сморщивается и становится видно контуры клеточной стенки.
Бактерии могут потерять клеточную стенку (полностью или частично), но если клетки поместить в соответствующие осмотические условия, то они могут сохранить свою жизнеспособность. Такие формы бактерий называются протопласты и сферопласты.
Существует еще одна форма – L-формы. L-формы, в отличие от протопластов и сферопластов, способны к размножению. L –формы, разных видов бактерий морфологически не различимы. Некоторые L -формы могут реверсировать в исходный вид.
К клеточной стенке прилегает ЦПМ.
ЦПМ устроена, как все мембраны, т.е. бимолекулярный листок липидов, окруженный монослоем белков. Разрушение ЦПМ всегда ведет к гибели клетки.
Функции цпм.
Выполняет функцию митохондрий.
В ней локализованы ферменты, осуществляющие перенос электронов.
через нее осуществляется транспорт веществ.
участвует в биосинтезе ряда биополимеров, и в экскреции ряда веществ.
к ней прикрепляется бактериальная ДНК.
ЦПМ ограничивает цитоплазму бактерий, которая выглядит как гранулярная структура. Эти гранулы есть ничто иное, как рибосомы. Особенности рибосом: их много, и относятся к рибосомам 70-го S-типа.
В цитоплазме располагается ядерный аппарат или нуклеоид.
У большинства бактерий ядерный аппарат представлен в виде кольцевой двойной нити ДНК.
Одна нить обязательно прикреплена к ЦПМ. Длина ДНК бактерий в 1000 раз превышает длину бактерий. Однако в цитоплазме она занимает очень мало места, т.к. ДНК всегда суперспирализованная и имеет пространственную организацию при участии особых ферментов, которые называются топоизомеразами. Их несколько: ДНК-гиразы и топоизомеразы 4-го типа.
Показано, что хинолоновые (норфлоксацин) а-б связываются с ДНК-гиразами. Следовательно, функции этих ферментов нарушаются. Это ведет к нарушению роста и размножения бактерий.
В ДНК клетки закодирована вся жизненеобходимая информация. Но у большинства бактерий есть еще один вид ДНК – это плазмиды. Они несут необязательную информацию для клетки. Кроме того, в цитоплазме имеются различного рода включения. Это пластический и энергетический материал клетки.