Будова бактеріальної клітини

Бактерії — прокаріоти (від лат. pro — замість, грец. karyon — ядро). Клітини бактерій здатні існувати автономно, як складний ор­ганізм. Структура їх клітин відрізняється від структури клітин рос­лин і тварин — еукаріотів (від грец. еи — повністю, karyon — ядро). Прокаріоти не мають ядерної оболонки, мітохондрій, апарату Голь-джі, ендоплазматичного ретикулуму, хлоропластів. Генетична ін­формація міститься в 1 молекулі ДНК, статевий шлях розмноження відсутній.

Еукаріоти можуть бути одноклітинними або багатоклітинними. У багатоклітинних всі клітини фізіологічно пов'язані і окремо існу­вати не можуть. Тому структура прокаріотної клітини суттєво від­різняється від клітин еукаріотів. Але загальний план будови у них подібний (мал. 2).

У будові бактеріальної клітини розрізняють три основні части­ни: поверхневі структури, клітинну оболонку та цитоплазму. Дея­кі бактерії утворюють спору, містять включення, плазміди та інші елементи.

Поверхневі структури. До них відносять капсулу, джгутики, мі-кровійки. Наявність або відсутність їх є постійною ознакою для да­ного виду бактерій. Це враховується під час їх ідентифікації.

Капсула (від лат. Capsula — ящик, футляр). Розрізняють мікро-капсулу, макрокапсулу, слизовий шар.

Мікрокапсулу виявляють за допомогою електронної мікроско­пії. Вона представлена мукополісахаридними фібрилами.

Макрокапсула товстіша за мікрокапсулу, зберігає зв'язок з клітинною стінкою. Вона містить 98 % води, 2 % полісахаридів (Streptococcus pneumoniae), поліпептиди (Bacillus anthracis) або амі-новуглеводи (Streptococcus pyogenes) і має гелеподібну консистен­цію. Через велику кількість води вона не затримує барвників, тому у разі фарбування за Буррі—Гінсом залишається безбарвною на фоні забарвленого препарату. У деяких бактерій капсули утворюються в ор­ганізмі людини або тварини (збуд­ники пневмонії, сибірки та ін.), а в деяких — як у макроорганізмі, так і на штучних поживних сере­довищах (Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Klebsiella pneumoniae тощо). У патогенних мі­кроорганізмів капсула може оточу­вати одну (збудник чуми — Yersinia pestis) або дві клітини (збудник пневмонії — S. pneumoniae), навіть цілий ланцюжок клітин (збудник сибірки — В. anthracis).

Макро- і мікрокапсули захища­ють клітину від бактеріофагів, фа­гоцитів, антибіотиків та антитіл. Вони також є факторами патоген­ності (пневмококи, що втратили капсулу, втрачають патогенність). Капсула зумовлює антигенні властивості бактерій — містить K-антиген (капсульний антиген).

Слизовий шар. Бактерії часто виділяють велику кількість слизу, який утворює навколо них пухкий шар, здатний відділятися від кліти­ни (збудник гонореї).

Джгутики забезпечують рухли­вість бактерій. Це довгі ниткоподіб­ні структури діаметром 12—13 нм і завдовжки 6—80 мкм. Джгутики

утворені білковими часточками, які спірально чи вздовж укладені на­вколо пустої серцевини у вигляді циліндра. Білок, з якого складається джгутик, називається флагеліном, він відрізняється від інших білків бактеріальної клітини тим, що має здатність скорочуватись. Джгутик прикріпляється до базального тільця, яке розміщується в оболонці бактеріальної клітини (клітинній стінці і цитоплазматичній мембра­ні). Джгутики мають здатність обертатися навколо своєї осі за і проти годинникової стрілки.

Завдяки джгутикам відбувається хемотаксис бактерій.

Рухливі бактерії швидше наближаються до чутливих клітин макроорганізму, тому джгутики впливають на патогенність бакте­рій. Джгутики визначають антигенну структуру бактерій (містять Н-антиген).

Утворення джгутиків кодується генами і є постійною ознакою певного виду бактерій. Тому виявлення рухливості враховується під час їх ідентифікації. За кількістю та розміщенням джгутиків бакте­рії поділяють на групи (мал. 3):

• монотрихи (від грец. monos — один, thrix — волосся) — один джгутик розміщується на полюсі клітини (холерний вібріон);

• лофотрихи (від грец. lophos — пучок, thrix — волосся) — пу­чок джгутиків розміщується на одному кінці (синьогнійна па­личка);

• амфітрихи (від грец. amphi — з обох боків, thrix — волосся) — один або пучок джгутиків розміщується на обох кінцях (спі­рили);

• перитрихи (від грец. peri — навколо, біля, thrix — волосся) — джгутики розміщуються на всій поверхні клітини (сальмоне­ли, ешерихії та ін.).

Рухливість бактерій визначають за допомогою мікроскопічного методу — фазово-контрастна або темнопольна мікроскопія "роздав­леної" або "висячої" краплі; та бактеріологічного методу — посів штриком у стовпчик напівщільного агару: для рухливих бактерій характерний дифузний ріст, середовище стає мутним, а нерухливі ростуть тільки вздовж уколу, середовище залишається прозорим.

Мікровійки. Окрім джгутиків поверхню бактерій вкривають мі-кровійки. Вони набагато, майже в 10 разів, коротші за джгутики, на рухливість бактерій не впливають. Розрізняють два типи мікро-нійок: 1) фімбрії, або війки; 2) кон'югативні, або донорські (F-пілі).

Фімбрії(від, англ. fimbria — бахрома) — це короткі тонкі волоски, яких може бути від 10 штук до декількох тисяч. Вони є фактором патогенності. За допомогою фімбрій бактерії прикріплюються до чутливих клітин (адгезія), де потім розмножуються (колонізація).

F-пілі (від англ. pile — волосок) — довгі тонкі ниткоподібні структури. На одній клітині їх може бути 1—2. Вони є апаратом кон'югації у бактерій. F-пілі забезпечують контакт між клітиною-донором і клітиною-реципієнтом, а також передачу спадкової ін­формації, що міститься в плазмідах.

Мікровійки — це білкові структури. Білки джгутиків, фімбрій і пілей різні за складом і властивостями.

Клітинна оболонка складається з клітинної стінки і цитоплазма­тичної мембрани.

Клітинна стінка має два шари: внутрішній (ригідний) та по­верхневий (пластичний). Ригідний шар складається з пептидоглі-кану, пластичний — з ліпополісахаридопротеїнового комплексу. Крістіан Грам запропонував метод фарбування мікроорганізмів генціановим фіолетовим і розчином йоду, при цьому всі бактерії забарвлювались у фіолетовий колір. Після оброблення спиртом і промивання водою одні з них втрачали попереднє забарвлення і за­барвлювалися фуксином Пфейфера в червоний колір. їх назвали грамнегативними. Мікроорганізми, які не втрачали фіолетового забарвлення, назвали грампозитивними. Ця відмінність зумовле­на різним складом клітинної стінки.

У грампозитивних бактерій більш виражений ригідний шар, він складається з пептидоглікану, який є тільки у прокаріотів. Пеп-тидоглікан має структуру молекулярної сітки. У клітинній стінці грампозитивних бактерій його міститься 5—6 шарів. Пептидоглі-кан пронизаний тейхоєвими (від грец. teichos — стінка) кислота­ми. Вони є головними поверхневими антигенами грампозитивних бактерій. Клітинна стінка більшості грампозитивних бактерій не містить ліпідів, але деякі (збудник туберкульозу) мають їх багато — понад 40 % . Ці ліпіди токсичні для макроорганізму. Вміст білка дуже різний. Білки зумовлюють антигенні властивості, а також є факторами патогенності.

У грамнегативних бактерій виражені пластичний і ригідний шари. Ригідний шар тонкий, складається з одного, рідко з двох шарів пептидоглікану, що становить 5—10 % маси всієї клітинної стінки. До складу пластичного шару входять ліпополісахарид, ліпопротеїди, поверхнева мембрана, які мозаїчно переплітаються між собою. Ліпополісахарид запускає синтез близько 20 сполук, що виявляють хвороботворну дію на макроорганізм. Він спричинює ознаки загальної інтоксикації: підвищення температури тіла, зниження артеріального тиску, загальну слабкість, головний біль, втрату апетиту тощо. Ліпополісахарид ще називають ендотоксином, він розміщений у клітинній стінці і не виділяється назовні із живої клітини. Він є чужорідним для макроорганізму (О-антиген), тому спричинює утворення антитіл.

Поверхнева мембрана входить до складу клітинної стінки грамнегативних бактерій. Вона має, як будь-яка біологічна мембрана, два шари фосфоліпідів. У зовнішньому її шарі частина фосфоліпідів заміщена молекулами ліпополісахариду та білків (їх понад 10 видів). Білки є рецепторами для фагів, коліцинів, донорських мікровійок. Поверхнева мембрана — бар'єр, через який не можуть проникати великі молекули речовин, а це забезпечує один з механізмів стійкості грамнегативних бактерій до антибіотиків.

Патогенних бактерій більше серед грамнегативних.

Відмінності між грамнегативними та грампозитивними бактеріями

Грамнегативні бактерії	Грампозитивні бактерії
Клітинна стінка чітко розділяється на два шари	Клітинна стінка має однорідну струк­туру
Забарвлюються за Грамом у червоний колір	Забарвлюються за Грамом у фіолето­вий колір
Клітинна стінка тонша, складніша за структурою	Клітинна стінка товща, простіша за структурою
Вміст петидоглікану — 5—10 % маси клітинної стінки	Вміст пептидоглікану — до 90 % маси клітинної стінки
Малочутливі до йоду, пеніциліну, лізоциму	Чутливі до йоду, лізоциму, пеніциліну (мішенню є пептидоглікан)
Клітинна стінка містить ліпополісахарид (ендотоксин)	Більшість мікроорганізмів утворюють екзотоксин. Не містять ліпополісахарид
Не містять тейхоєвих кислот	Містять тейхоєві кислоти

Роль клітинної стінки:

1. зберігає форму клітини (у разі втрати клітинної стінки палич­коподібні бактерії набувають форми кульки);

2. бере участь у рості та поділі клітини;

3. захищає від дії факторів навколишнього середовища та ма­крофагів (знижує фагоцитарну активність макрофагів, галь­мує їх міграцію);

4. є фактором патогенності;

5. визначає антигенну структуру бактерій (ліпополісахарид, тейхоєві кислоти);

6. врівноважує осмотичний тиск.

Клітинну стінку можна зруйнувати. Лізоцим руйнує лише пеп-тидоглікан клітинної стінки, а пеніцилін перешкоджає його утво­ренню. При цьому у грамнегативних мікроорганізмів поверхнева мембрана (або її частина) і ліпополісахарид залишаються неушко-дженими. Бактерії, клітинна стінка у яких частково зруйнована, називаються сферопластами. Після оброблення грампозитивних бактерій ферментами, які руйнують пептидоглікан, утворюються протопласти — структури, у яких повністю зруйнована клітинна стінка. Протопласти і сферопласти інакше називаються L-формами бактерій, оскільки вперше були виявлені в інституті ім. Лістера (L — перша літера назви інституту). Цю мінливість бактерій назва­ли L-трансформацією. L-форми мають схожі властивості незалежно від виду бактерій, з яких вони утворилися. Вони подібні за морфо­логічними (мають форму кульки, нитки, волокна тощо), тинкторі-альними (всі грамнегативні), культуральними властивостями (ма­ють дрібні колонії типу виливної яєчні), за антигенною структурою (втрачають О- і К-антигени); мають знижену вірулентність (втрача­ють фактори адгезії, інвазії, токсини), нечутливі до хіміотерапев­тичних препаратів і антитіл.

L-трансформація буває зворотною та незворотною. При зворот­ній зберігається генетичний контроль за синтезом клітинної стінки, тому за сприятливих умов відбувається реверсія (від лат. reuersio — повернення) L-форм — відновлення клітинної стінки і основних біо­логічних властивостей, у тому числі і патогенності. При незворотній L-трансформації втрачається генетичний контроль за синтезом клі­тинної стінки, утворюються стабільні L-форми бактерій, які дуже схожі на мікоплазми.

L-трансформація бактерій може відбуватися як in vitro (поза ма­кроорганізмом), так і in vivo (в організмі людей і тварин) під впливом антибіотиків (препарати пеніцилінового ряду, цефалоспорини, ван-коміцин), ферментів (лізоцим), антибактеріальних антитіл тощо.

Перетворення патогенних бактерій на L-форму в організмі лю­дини призводить до тривалої персистенції, переходу гострої форми інфекції в хронічну, що супроводжується рецидивами хвороби (від­новленням симптомів).

Цитоплазматична мембрана покриває цитоплазму. Вона на­півпроникна (одні речовини пропускає, інші — ні) і є осмотичним бар'єром. На ній виявлені системи, які беруть участь у синтезі різ­них сполук, у тому числі ферментів і токсинів (від грец. toxikon — яд). Через цитоплазматичну мембрану здійснюється транспорт речовин у клітину та із клітини. Унаслідок інвагінації (вдавлюван­ня) цитоплазматичної мембрани утворюютьсяТйгезосоми, які беруть участь у синтезі клітинної стінки, поділі клітини і спороутворенні. Між клітинною стінкою та цитоплазматичною мембраною у грам-негативних бактерій периплазматичний простір. Він заповнений ферментами (фосфатази, рибонуклеази та ін.), які зумовлюють вза­ємодію цитоплазматичної мембрани і клітинної стінки.

Цитоплазма — складна колоїдна система, яка містить нуклеоїд, плазміди, рибосоми та інші включення.

Нуклеоїд (хромосома, геном) є еквівалентом ядра еукаріот, але не має власної мембрани. Це двониткова ДНК, замкнута в кільце. За аналогією з еукаріотами її називають хромосомою (вона одна). Кіль­кість закодованої інформації різна у різних видів бактерій (2500— 3000 генів). Перед поділом нитки ДНК розходяться і кожна добу­довується другою ниткою за законом комплементарності. Дочірні клітини успадковують ознаки материнської.

ßL Плазміди — додаткова позахромосомна кільцева молекула ДНК. Нині плазміди розглядають як найпростіші організми, що не мають власної системи синтезу білка та систем іммобілізаціїтзнергії. Вони паразитують на бактеріях, наділяючи їх певними властивостя­ми (стійкість до антибіотиків, вірулентність тощо). Плазміди пере­даються під час кон'югації та поділу бактеріальних клітин.

Рибосоми. На рибосомах відбувається синтез білка. Вони скла­даються з двох субодиниць (одиниць Свеберга): 50S і 30S, які об'єднуються в рибосому 70S. Бактерицидні антибіотики (левоміце­тин, тетрациклін, стрептоміцин) пригнічують синтез білка тільки на рибосомах 70S і не порушують його синтез на рибосомах людей і тварин — 80S.

Запасні речовини (включення). До них відносять крохмаль, глікоген у грибів роду Candida, воски — у мікобактерій. Вони мають діагностичне значення (наприклад, у коринебактерій дифтерії — во­лютин, який вперше був виявлений у Sarcina volutans — звідси його назва).

Спора — стійка форма бактерій Утворюється переважно паличкоподібними бактеріями, дуже рідко — коками та звивистими. Вона є ущільненою ділянкою цитоплазми з нуклеоїдом, яка містить ліпіди, мінімальну кількість води(40). Велику кількість кальцію та інші сполуки, яких немає у вегетативних клітинах (наприклад, дипіколінову кислоту, завдяки якій спора термостійка). Спора вкрита щільною багатошаровою оболонкою.

Утворюються спори протягом 18—20 год, проростають протягом 4—5 год.

Спори ніколи не утворюються в тканинах живого макроорганізму.Убактеріальній клітині спора може розміщуватися:

центрально, наприклад у збудника сибірки;

термінально (від лат. terminalis — кінцевий), яку збудника правцю; субтермінально (від лат. sub — під, біля, terminalis кінцевий;ближче до одного кінця), як у збудника ботулізму.

Спори стійкі до дії високих температур (спори збудника ботуліз­му витримують кип'ятіння протягом 1—6 год), висушування, зміни рН, впливу дезінфекційних розчинів. Упродовж десятків і навіть сотень років спори можуть зберігатися в несприятливих умовах навколишнього середовища. Це слід враховувати під час вибору методів знезараження. Матеріал, що містить спори, знезаражують в автоклаві за температури 127—132 °С або в сухожаровій шафі за температури 160—180 °С.

Спороутворення кодується генами, тому є постійною ознакою певного виду бактерій. Це слід враховувати під час ідентифікації бактерій.

Форми бактерій, що не культивуються (ФБН). У грамнегатив-них бактерій, що не утворюють спор, існує особливий пристосуваль­ний стан, який фізіологічно аналогічний до такого у цист (від грец. kystis — міхур). Цей стан характеризується тим, що такі форми бактерій не здатні розмножуватись на поживному середовищі, але зберігають власну життєздатність. У разі потрапляння в макроорга­нізм вони відновлюють здатність швидко рости і розмножуватись. В навколишньому середовищі їхні метаболічні процеси пригнічені, тому вони можуть тривалий час зберігатися в несприятливих умо­вах. Так, збудник холери в стані ФБН у забруднених відкритих во­доймах зберігається роками, підтримуючи несприятливу епідеміч­ну ситуацію в регіоні.

У формі ФБН збудників хвороб неможливо виявити традиційни­ми методами, що утруднює ліквідацію спалаху інфекції. Виявляють ці форми бактерій за допомогою молекулярно-генетичних методів (ланцюгової полімеразної реакції — ЛПР).

Вивчення морфології мікроорганізмів лежить в основі мікроско­пічного методу діагностики інфекційних хвороб, який ґрунтується на виявленні бактерій у патологічному матеріалі за допомогою мі­кроскопа. При цьому можна визначити морфологічні та тинкторі-альні ознаки. Цей метод застосовують для підтвердження клініч­ного діагнозу сифілісу, гонореї, туберкульозу тощо або постановки орієнтовного діагнозу у разі захворюваності на дифтерію, правець, анаеробну газову інфекцію.