Глава 3. Морфология и строение патогенных микроорганизмов

Все виды микроорганизмов имеют генетически закрепленную для них форму. Однако условия их проживания широко варьируют и микробы могут приобретать не свойственные им морфологическую форму. В нормальной среде обитания они могут вновь принять видовую морфологию. Такая изменчивость форм микробов может быть как наследуемой, так и не наследуемой. Все многообразие микроорганизмов по морфологии, можно описать шестью основными формами.

3.1. Морфология микроорганизмов

1. Кокковидные (греч. Kokkos - зерно). Среди этой группы различают: сферическую (Staphylococcus), ланцетовидную (Streptococcus), элипсойдную (Streptococcus), бобовидную (Neisseria) формы микроорганизмов. В зависимости от плоскости деления кокковидные могут приобретать несколько характерных расположений клеток:

• Микрококки (лат. Mikros - малый), делятся в одной плоскости и после деления клетки быстро расходятся, поэтому микрококки располагаются одиночно. Патогенных видов среди микрококков не обнаружено.

• Диплококки (лат. Diplos - двойной), делятся в одной плоскости, но в зависимости от скорости расхождения клеток, образуются пары кокков (Neisseria).

Патогенные для человека виды содержатся в роде Neisseria. Вызывают у людей гонорею, менингиты и пр. заболевания.

• Стафилококки (лат. Staphylо - гроздь винограда), делятся в нескольких плоскостях, делящиеся клетки медленно расходятся и образуют скопления сферических клеток в виде виноградной грозди. Эта разновидность кокков имеет патогенные для людей виды - S.aureus и др. Стафилококки являются частыми возбудителями гнойно-септических заболеваний. Они вызывают более 100 инфекционных заболеваний человека.

• Стрептококки (греч. Streptos - цепочка), делятся в одной плоскости, клетки медленно расходятся и образуют цепочки разной длинны. Часть видов стрептококков могут быть для человека патогенными, например, Streptococcus pneumoniae вызывает пневмонию, другие виды - гнойные заболевания.

• Тетракокки (лат.Tetra - четыре), делятся в двух перпендикулярных плоскостях, клетки медленно расходятся, образуя тетрады. Патогенные тетракокки встречаются редко.

• Сарцины (лат. Sarcina - тюк, связка) - делятся в 3-х взаимно перпендикулярных плоскостях, медленно расходятся, образуя пакеты, тюки из 8, 16, 32 и пр. клеток. Среди них имеются условно-патогенные для человека виды, например, Staphylococcus saprophyticus.

10. Бактериевидные (лат. Bacteria - палочка). Бактерии имеют вид палочек. Следует сказать, что в Определителе Берджи все Прокариоты имеют общее наименование бактерии. Разновидностями бактерий являются:

- неспорообразующие палочки (бактерии);

- бациллы (лат. Bacillus – это палочка) - аэробы, которые образуют споры;

- клостридии (лат.Сlostridium – это палочки веретенообразные), анаэробы, образующие споры.

По расположению клеток в мазках среди бактериевидных различают: монобактерии – расположены одиночно или в беспорядке (большинство); диплобактерии – расположены парами (Pseudomonas); стрептобактерии – образуют цепочки (Bacillus).

Форма концов палочек бывает закругленной (Escherichia), заостренной (Fusobacterium),

утолщенной (Corynebacterium), обрезанной (Bacillus), закругленной до овойдности (Yersinia).

По ширине среди бактериевидных клеток различают: толстые (Clostridium) и тонкие (Mycobacterium). По длине бактерии различают: от очень коротких (Francisella) - менее 1 мкм, коротких (Escherichia) - 1,5- 3 мкм, до длинных (Clostridium) - более 3-5 мкм.

Среди бактериевидных встречается много видов патогенных для человека, например, в родах Corynebacterium, Clostridium, Pseudomonas, Yersinia, Shigella, Salmonella, Bordetella, Francisella и др. Вызывают у человека туляремию, чуму, дизентерию, дифтерию, коклюш, сальмонеллез, сибирскую язву и пр.

3. Вибриоспировидные (греч. Vibrio - извиваюсь, Speira - завиток). Эта группа бактерий имеет вид извитых или спиралей и подразделяется на три подгруппы:

а) вибрионы - имеют один изгиб в четверть оборота спирали, иногда бывают без изгиба (V.cholerae);

б) спириллы – это штопорообразные клетки, имеющие подвижность, небольшое количество завитков (2-3) и большой их диаметр;

в) спирохеты – это штопорообразные клетки, имеющие подвижность и большое число завитков (до 14).

Вибриоспировидные различаются по количеству и величине завитков. Если завитки равномерные и мелкие по 8-12 штук - это род Treponema. Более длинные, крупные по 3-8 завитка - род Borrelia, неглубокие частые завитки - род Leptospira.

Эта группа имеет патогенные для человека виды: Vibrio cholerae - это возбудитель холеры, Spirillum minor - возбудитель содоку (от укуса крыс), Treponema pallidum - возбудитель сифилиса, Leptospira icterogaemorrhagia- возбудитель лептоспироза и пр.

4. Мицелиевидные (греч. Mykes - гриб). Эту группу микроорганизмов составляют клетки, которые имеют мицелий. Их вегетативное тело состоит из тонких ветвящихся нитей. Различают мицелий воздушный (находящийся над питательной средой) и субстратный (находящийся в субстрате). Эта группа делится на 2 большие подгруппы: актиномицеты и грибы. Актиномицеты - это подгруппа ветвящихся микроорганизмов (греч. Actis - луч, mykes - гриб). Грибы (Mycetes - гриб, грибница) делятся на низшие - фикомицеты (гифы не имеют перегородок) и высшие - эумицеты (гифы имеют перегородки).

Патогенные актиномицеты вызывают у людей актиномикозы, грибы вызывают микозы

5. Вирусовидные. Это ультрамикроскопические организмы, содержащие только один тип нуклеиновой кислоты - ДНК или РНК, бинарное делению и почкование отсутствует, абсолютные внутриклеточные паразиты, вызывающие серьезную патологию у людей. По классификации вирусы делят на ДНК - или РНК- содержащие.

Вирусы имеют разную морфологию и структуру: палочковидную (вирус табачной мозаики), нитевидную (вирусы растений) и сферическую (полиовирус).

А также - параллелипипеда (поксвирусы), булавовидную (фаги), пулевидную (вирус бешенства) и пр.

6. Протозоовидные. Это группа простейших микробов эукариотов и одноклеточных.

Они составляют подцарство Protozoa - в царстве животных. В этой группе имеются патогенные для человека простейшие - дизентерийная амеба и др.

3.2. Строение клеток микроорганизмов

Прокариоты по строению более просты, чем эукариоты. В целом, прокариотическая клетка имеет: нуклеойд, цитоплазматическую мембрану, клеточную стенку (с некоторым исключением), цитоплазму, рибосомы, мезосомы, аэросомы. Кроме того, некоторые клетки могут иметь: жгутики, капсулу, слизистые выделения, споры, бахрому, внехромосомные частицы (плазмиды, транспозоны, Is-элементы), пили и пр.

3.2.1. Клеточная стенка бактерий

Клеточная стенка - обязательный структурный элемент у подавляющего большинства прокариотов. По отношению к клеточной стенке и ее структуре бактерии делятся на три группы: имеющие стенку - грамположительные, имеющие стенку - грамотрицательные, не имеющие клеточной стенки. К последним относятся микоплазмы. Часть микробов при скудном питании могут терять клеточную стенку, но это не означает, что они относятся к третьей группе. Клеточная стенка тонкая, регидная. Она имеет два слоя: внутренний и наружный. Основу клеточной стенки составляет пептидогликан, ранее называли муреином (лат. Mureus -стенка). Пептидогликан состоит из остова и двух наборов пептидных цепочек (боковых и поперечных). Остов- это чередующиеся кислоты N- аминозилгликозаминовая и N-ацетилмураминовая.

Боковые цепочки представлены набором тетрапептидов. Поперечные цепочки имеют идентичные пентапептиды. Цепочки боковые связаны N-ацетилмураминовой кислотой остова. Наличие двух типов связи - гликозидные и пептидные, придает гетерополимеру структуру молекулярной сети. Благодаря этим связям пептидогликан образует огромного размера макромолекулу, окружающую протопласт, уравновешивающую тургорное давление внутри клетки (до 30 атм). Клеточная стенка определяет многие свойства микроорганизмов.

Клеточная стенка грамположительных микроорганизмов. Клеточная стенка таких микроорганизмов более мощная по сравнению с грамотрицательными микробами. Имеет однородную структуру, тонкий пластичный слой. Основную массу такой клеточной стенки составляет пептидогликан, представленный 5-6-ю слоями Он имеет 90 % сухой массы клеточной стенки.

В клеточной стенке грамположительных микробов нет липополисахаридов, количество белка варьирует, что отражается на антигенной структуре.

Особым компонентом клеточной стенки грамположительных бактерий являются тейхоевые кислоты (лат. Teichos - стенка). Это полимеры, которые растворимы в воде и соединены между собой фосфодиэфирными связями. Выделены два типа этих кислот: рибиттейхоевые и глицеринтейхоевые. Клетки каждого вида содержат только один тип тейхоевых кислот. Часть тейхоевых кислот связана с клеточной стенкой посредством глицерофосфатных связей. Выделяют тейхоевые кислоты, которые расположены между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной - их обозначают как периплазматические. Тейхоевые кислоты составляют основную часть поверхностных антигенных детерминант клетки, проявляющих иммуногенность у грамположительных микроорганизмов. При частичном разрушении пептидогликана иммуногенность этих кислот повышается. Тейхоевые кислоты связывают ионы Mg и участвуют в транспорте их в клетку.

При гидролизе клеточных стенок некоторых грамположительных микроорганизмов выделены нейтральные (манноза, арабиноза, галактоза, рамноза, глюкозамин) и кислые сахара - глюкуроновая и маннуроновая кислоты. Происхождение сахаров остается неясным.

Под электронным микроскопом клеточная стенка Грам (+) бактерий гомогенна, от 20 до 80 нм, плотно прилегает к цитоплазматической мембране.

Клеточная стенка Грам (-) бактерий. Грамотрицательные микроорганизмы имеют более тонкую клеточную стенку по сравнению с грамположительными. Он имеет биомолекулярный слой пептидогликана, не содержащий тейхоевых кислот. В клеточной стенке выделяются два слоя - регидный и пластичный. Они связаны лабильно и разделяются при обработке додецилсульфатом. Пространство между ЦПМ и наружной мембраной называется периплазатическим.

Регидный слой тонкий, представлен 1-2 слоями пептидогликана.

Пластичный слой представляет собой мозаику, образованную из наружной мембраны, липопротеинов, липополисахаридов. Кроме того, в составе клеточной стенки содержатся липопротеиды, фосфолипиды, много белка.

Пептидогликан Грам (-) бактерий образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к цитоплазматической мембране. Снаружи от пептидогликана есть слой наружной мембраны. Она состоит из фосфолипидов, белков, липополисахаридов (ЛПС) и пр., занимающих 30-40 % внешнего слоя наружной мембраны.

Белки наружной мембраны можно разделить на основные и минорные. Основные белки составляют небольшое число различных типов (до 80 % всех белков мембраны).

Одна из функций этих белков – формирование гидрофильных пор в мембране диаметром 1 нм, через которые осуществляется диффузия молекул с массой до 600-900 Д. Через эти поры проходят сахара, аминокислоты, пептиды. Эти белки называют поринами. Минорные белки являют собой большее число типов. Их основная функция – транспортная и рецепторная.

Липопротеины связывают наружную оболочку с пептидогликаном. Липид привязан нековалентно к наружной мембране, белок - к диаминопимелиновой кислоте боковой цепи тетрапептида. Белковый компонент содержит 57 аминокислот в виде повторений.

Липополисахарид (ЛПС) состоит из липида А и полисахарида. ЛПС состоит из ядра и терминальной цепочки, которая имеет в составе повторяющиеся сахара. Он прикреплен к наружной мембране гидрофобными связями. ЛПС определяет иммуногенность микроба и является важным фактором патогенности, как эндотоксин. В организме человека он запускает синтез более 30 биологически активных веществ, которые опосредуют патогенез эндотоксикоза и пирогенное действие. ЛПС освобождается при лизисе клетки. Липид А дает пирогенность и токсичность, а полисахарид проявляет иммуногенность и его обозначают как «О-антиген».

Наружная мембрана является типичным двуслойным фосфолипидом, в которой часть наружнего слоя фосфолипида замещена липополисахаридом и набором белков, которые там расположены как мозаика. Белки бывают основные и минорные. Два основных белка проходят два слоя мембраны и связываются с пептидогликаном. Это белки - порины, через которые проникают мелкие гидрофильные молекулы. Второстепенные белки участвуют в облегченной диффузии, а также - в активном транспорте веществ. Белки выполняют функции защитной оболочки и барьера для гидролитических ферментов, способствуют конъюгации бактерий при переносе генетического материала.

Функции клеточной стенки. Клеточная стенка прокариотов выполняет многочисленные функции. Она механически защищает клетку от воздействия внешней среды, обеспечивает поддержание формы клетки, дает возможность клетке существовать в условии гипотонии. Наружная мембрана клеточной стенки грамотрицательных бактерий расширила функции клеточной стенки в проблеме транспорта веществ и проницаемости. Наружная мембрана имеет поры для пассивного транспорта ионов в клетку. Она препятствует проникновению токсинов, что делает клетку устойчивой, по сравнению с Грам (+) микроорганизмами.

Поверхность клеточной стенки имеет различные рецепторы для фагов, бактериоцинов, химических веществ и определяет иммуногенную характеристику микробов. Пептидогликан угнетает миграцию макрофагов, оказывает пирогенное действие на организм. Уникальность химического состава клеточной стенки прокариотов сделало возможным создание лекарств, действующих на прокариотическую клеточную стенку, но не эукариотическую. На этом основано действие пенициллина и др. антибиотиков, угнетающих образование связей между пептидными хвостами в процессе роста клеток.

Прокариоты без клеточной стенки. Обнаружена группа прокариотов, не содержащих клеточной стенки. Это группа микоплазм-сапрофитов и внутриклеточных паразитов людей, животных и растений. Микоплазмы окружены тонкой трехслойной мембраной толщиной 7,5- 10,0 нм, т.к. не способны синтезировать предшественников пептидогликана. Это наиболее мелкие прокариоты – 125- 150 нм, способные к автономному развитию. Микоплазмы нечувствительны к пенициллину (ввиду отсутствия клеточной стенки) и беталактамным антибиотикам. Они чувствительны к осмотическому давлению.

Прокариоты, лишенные клеточной стенки, можно создать опытным путем, воздействуя на клетки ферментами, лекарственными веществами и пр. Например, если Грам (+) микробы подвергнуть обработке ферментом, разрывающим гликозидные связи пептидогликана, можно получить протопласты, овойдные клетки, лишенные клеточных стенок. Если Грам (-) микробы подвергнуть действию ферментов, то получаются сферопласты. Они становятся сферической формы, как не имеющие пептидогликана. Сферопласты чувствительны к внешнему осмотическому давлению. Бактерии, которые не имеют клеточной стенки, но сохраняют способность к росту и делению, называют L-формы (от института им. Листера, где впервые обнаружили это явление). Известны случаи, когда прокариоты при росте на неблагоприятной среде могли подвергаться L-трансформации. При этом они приобретали ряд общих свойств: сходство морфологических и культуральных изменений свойств клетки (потребность в холестерине, сывороточном белке и пр.), полиморфизм. Микробы не содержащие клеточных стенок или L-формы формируют 2 типа колоний (А и В), имеющие вид яичницы-глазуньи. Колонии типа В могут врастать в агар центром, а типа А в агар не врастают Колонии типа A более стабильные и ревертируются в обычные формы гораздо труднее, чем типа В.

Длительность L- трансформации прокариотов зависит от генетического контроля - если он сохранен, то колонии в нормальных условиях приобретают исходный вид, если нет, то изменения будут длительными во времени. Такую трансформацию как потеря клеточной стенки с определенными свойствами, некоторые ученые считают как приспособительную.

3.2.2. Цитоплазматическая мембрана

Ее называют еще «клеточная мембрана или плазматическая мембрана» - обязательный структурный элемент нормальной клетки, Нарушение ее целостности приводит к потере жизнеспособности клетки. Это физический, осмотический и метаболический барьер между содержимым клетки и внешней средой.

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) является полифункциональной структурой. Для нее характерна избирательная проницаемость, несмотря на то, что она воспринимает всю химическую информацию из внешней среды. Совместно с клеточной стенкой она участвует в регуляции роста и клеточного деления бактерий. Она содержит значительное количество ферментов, участвует в образовании мезосом (инвагинация участка ЦПМ в цитоплазму).

На электронограммах ЦПМ имеет вид трехслойной структуры, состоящей из двух слоев фосфолипидов, упакованных гидрофильными головками наружу, которые формируют внешний и внутренний слои. Эти слои разделены более светлым слоем, проницаемым для электронов, который связан с белками. Специфичность функции ЦПМ зависит во многом от набора белков: некоторые из них пронизывают двойной слой фосфолипидов, другие белки связаны с внутренней или с внешней стороной мембраны. Белки ЦПМ делят на структурные и функциональные, которые включают разные ферменты, в том числе специализированные (например, пермеазы). Цитоплазматическая мембрана содержит систему транспорта ионов, необходимую для обеспечения энергетических потребностей клетки.

1. Неэнергозависимый транспорт молекул. Он имеет две разновидности:

а) Проникновение в клетку веществ за счет разницы в концентрации по обе стороны ЦПМ - это пассивная диффузия.

б) Транспорт ионов с помощью пермеаз, свободно проходящих мембранный барьер с молекулой субстрата или без нее, называемый облегченная диффузия (проникновение глицерина).

2. Энергозависимый транспорт молекул. Он также имеет две разновидности:

а) Обусловленный фосфорилированием. Используется при утилизации углеводов, которые претерпевают химические модификации, взаимодействуя с ферментами (энзим 2, Ф2). Комплекс «глюкоза-энзим 2» взаимодействует с комплексом «фермент-3-фосфат» с образованием глюкозо-6-фосфат с его дальнейшей утилизацией. Этот процесс считается как транспорт против градиента концентрации.

б) Активный транспорт. При этом энергия направлена на изменение концентрации поглощаемого субстрата. Включается механизм протонирования с высвобождением протона при окисления НАДФ или гидролиза АТФ, с образованием в среде электрохимического градиента. После утилизации углевода протоны возвращаются в клетку.

За счет переносчиков цепи электронного транспорта образуется электрохимическая энергия, используемая клеткой, в том числе - для образования АТФ. Это ЦПМ принимает участие в репликации и последующем разделении хромосомы клетки. ЦПМ у прокариотов отличается от мембран эукариотов отсутствием стеролов. Мембранные липиды прокариотов образуют бислои, в которых гидрофильные «головки» их молекул обращены наружу, а гидрофобные «хвосты» погружены в толщу мембраны. Углеводородные цепи, прилегающие к гидрофильным головкам, довольно жестко фиксированы, а более удаленные части хвостов обладают гибкостью. Мембранные белки погружены в мембрану, а иногда пронизывают ее насквозь. Периферические белки (в отличие от поверхностных белков) частично погружены в гидрофобную область мембраны.

3.2.3. Цитоплазма

Цитоплазма - сложная коллойдная система, в которой реализуются жизненноважные процессы клетки. В клетке цитоплазма отделена от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме находится ДНК, рибосомы, гранулы, могут быть - плазмиды, Is- элементы, транспозоны и разные макромолекулы (ферменты, матричные и транспортные РНК). У некоторых бактерий (Mycobacterium, Clostridium и др.) обнаружены микротрубочки-рапидосомы, сходные с микротрубочками простейших. Органелл прокариоты не имеют.

Рибосомы. Это сложные глобулярные образования, размером 15-20 нм, являются местом синтеза белка. Их количество в клетке зависит от интенсивности процесса белкового синтеза и колеблется от 5000 до 90000. Константа седиментации 70s (единица Сведберга - скорость осаждения против градиента сахаров). Рибосомы построены из двух субъединиц - 30s и 50s. Субъединица 30s состоит из одной молекулы 16s рРНК и более 20 типов молекул белка по одной копии. Субъединица 50s состоит из двух молекул рРНК (23s и 5s) и более 30 различных белков, также представленных одной копией. Перед началом синтеза белка субъединиц рибосомы 30s и 50s объединяются.

Запасные гранулы. Запас питательных веществ находится в форме нерастворимых цитоплазматических гранул. Это осмотически инертные нейтральные полимеры. Многие бактерии накапливают неорганический фосфор в виде полимеризованного метафосфата, это гранулы волютина. Еще их называют метахроматическими гранулами, т.к. при окраске голубыми красителями они приобретают красный цвет (например, Corynebacterium).

Запасными веществами прокариот являются полисахариды, липиды, отложения серы и пр. В клетках бактерий полисахариды могут откладываться в виде гликогена, крахмала и крахмалоподобного вещества - гранулезы. В неблагоприятных условиях они используются в качестве источника углерода и энергии.

Липиды накапливаются в виде гранул, резко преломляющих свет, поэтому они хорошо различимы в световом микроскопе. Запасными веществами такого типа является полимер B-оксимасляной кислоты. Отложение липидов происходит в условиях, когда питательная среда богата источниками углерода и бедна азотом. Гранулы имеют размер 100-1000 нм и окружены белковой оболочкой.

Если метаболизм Прокариот связан с серой, то заметны характерные отложения серы в молекулярной форме. Она накапливается в клетке, находящейся в среде с сероводородом. Сероводород окисляется до сульфата.

3.2.4. Генофор. ДНК бактерий

ДНК не имеет мембраны и находится в клетке в виде скоплений, которые называют генофором или нуклеойдом. Генофор достаточно отграничен от цитоплазмы и представлен двойной спиралью, состоящей из 2 комплементарных кольцевых и ковалентно замкнутых полинуклеотидных цепочек. В цепочках пуриновые и пиримидиновые основания пролегают вдоль остова, построенного из меняющихся фосфатных групп и дезоксирибозы. Цепочки удерживаются водородными связями между определенными основаниями. Так у E.coli их содержится около 5х106 пар оснований. Генофор составляет 2-3 % сухой массы клетки. Его контур имеет длину до 3 нм. Объем генетической информации у бактерий колеблется по видам, например, Escherichia coli имеет до 4000 полипептидов. Генофор в развернутом состоянии почти в тысячу раз превышает длину клетки. Деление генофора происходит по полуконсервативному типу и в норме предшествует делению клетки. Генофор прокариот по аналогии с эукариотами называют хромосомой. Она представлена в клетке в единственном числе, при делении число хромосом может возрасти до 4. Хромосома прикрепляется к септальной мезосоме бактерий.

Элементы прокариотических клеток, которые не являются обязательными:

3.2.5. Капсула

У бактерий различают микрокапсулу, капсулу и слизистый слой. Под капсулой следует понимать слизистое образование, обволакивающее клетку, сохраняющее связь с клеточной стенкой и имеющее аморфное строение. Это выделяемая бактериями слизь, которая есть полисахарид, но в одном случае (Bacillus anthracis) состоит из полипептида D-глютамовой кислоты. Капсула – это внешний покров клетки, толщиной до 200 нм. Капсулы не мешают проникновению в клетку определенных веществ. Некоторые микроорганизмы образуют капсулу только в организме человека или теплокровных (Streptococcus pneumoniae), другие - как в организме, так и на питательных средах (Staphylococcus aureus). Часть сапрофитов образуют зооглеи - скопления клеток, заключенных под общую капсулу. Капсула - фактор патогенности, иммуногенности и протективности (возможность приготовления вакцин).

Бактерии, которые потенциально могут иметь капсулу, проявляют это свойство в присутствии больших концентраций сахаров или сывороток. Капсулы защищают клетки от фагов и фагоцитов, которые должны прикрепиться к клеточной стенке, чтобы осуществлять дальнейшие действия.

Если толщина образования меньше 0,2 мкм, то говорят о микрокапсуле. Если слизистое вещество имеет аморфный бесструктурный вид и легко отделяется от поверхности клетки, следует говорить о слизистом слое, окружающем микробную клетку.

3.2.6. Жгутики

Это нитевидные придатки, состоящие из белка, имеющие разную длину и диаметр 12-30 нм. Жгутики являются органами движения клеток. Белок жгутиков назван флагеллином, он обладает сократительной способностью. Жгутик - это скопление флагеллина, образующего пустотелую цилиндрическую структуру. Если жгутики удалить, механическим воздействием на суспензию бактерий, то быстро образуются новые жгутики. По характеру расположения жгутиков и по их количеству различают следующие формы микроорганизмов:

• монотрихии, имеют один жгутик, расположенный на одном конце клетки (V. cholerae),

• лофотрихии, имеют пучок жгутиков, расположенный на одном конце клетки (Spirillum serpens),

• амфитрихии, имеют по одному пучку жгутиков на обоих концах клетки (Spirillum volutans),

• перитрихии, имеют множество жгутиков, расположенных вокруг тела клетки (Proteus и др.).

Жгутики прикрепляются к бактериальной клетке с помощью крючка и базального тела. Крючок имеет 35-40 нм, состоит из белка, соединен с базальной мембраной и жгутиком. Базальное тельце целиком находится в клеточной стенке и ЦПМ. Состоит из центрального стержня, заключенного в систему колец. У грамотрицательных бактерий их 2 пары, внешняя (L и P) и внутренняя (S и M) пары колец. Кольца L расположены в ЛПС, а кольца P - в пептидогликане, внутренняя пара колец фиксирована в ЦПМ.

Жгутики грамположительных микроорганизмов имеют только одну пару колец S и M, их вращение относительно друг друга позволяет вращаться жгутикам, что придает клетке направленное движение. Со жгутиковым аппаратом связана хемотаксическая активность клетки. Некоторые бактерии (V. cholerae) двигаются с большой скоростью - 200 мкм в сек.

Бактериальные жгутики - это эластичные спиральные роторы, которым клетка придает вращательное движение.

Если перитрихии находятся в жидкой среде, то их жгутики при движении клетки образуют сзади пучок, обеспечивающий движение клетки вперед. При остановке клетки пучок распадается на короткое время и клетка замирает. В это время клетка поворачивает. Далее движение продолжается в таком же виде.

Бактерии двигаются в сторону источника химического раздражения (сахар, аминокислота и пр.), а также источника температурных колебания, например, E.coli собираются в зоне температуры 34о С.

Для работы двигательного аппарата прокариот необходима энергия. Движение клеток, имеющих жгутики, обеспечивается энергией электрохимического трансмембранного потенциала, причем движение поддерживают обе его составляющие – электрическая и концентрационная. Скорость движения клеток, имеющих жгутики напрямую зависит от величины этого мембранного потенциала. Клетки подвижные располагают механизмом превращения электрической энергии в механическую. Энергия, расходуемая на движение, составляет десятые доли процента от общего количества энергетических потребностей клетки.

3.2.7. Фимбрии и пили

Многие из грамотрицательных бактерий имеют на поверхности регидные придатки, которые обозначаются как пили (лат. - волоски) и фимбрии (лат. - бахрома). Они короче и тоньше жгутиков, состоят из белковых субъединиц. Среди пилей следует различать пили половые, играющие роль в прикреплении конъюгирующих клеток друг к другу. Их синтез находится под контролем плазмидных генов. Размеры пилей 0,5- 10,0 мкм, половые пили несколько длиннее других видов пилей, участвующих в адгезии микроорганизмов. Синтез пилей, участвующих в адгезии, находится под контролем хромосомных генов.

Фимбрии - короткие нити, окружающие бактериальную клетку. Их количество достигает нескольких тысяч. Размеры фимбрий 0,1-12 мкм, диметр 25 нм. С помощью фимбрий микроорганизмы могут прикрепляться к определенным рецепторам. Для многих патогенных бактерий фактором патогенности являются фимбрии. Они служат факторами адгезии и колонизации.

Гликокаликс. Многие бактерии в естественной среде обитания могут давать явление гликокаликса, которое не выявляется при обычном культивировании микроорганизмов. Эти микроорганизмы покрываются слоем длинных переплетенных полисахаридных волокон, состоящих из декстрана и левана. Эти волокна образуются в результате действия ферментов и др. биологически активных веществ, связанных с клеткой. Они располагаются вне клетки микроорганизма. Микроорганизмы, способные покрываться волокнами, приобретают новые свойства. Например, с помощью гликокаликса Streptococcus mutans прочно прикрепляется к зубной эмали. Считается, что эти волокна являются фактором адгезии микроорганизмов.

3.2.8. Эндоспоры

Споры - это форма существования вегетативной клетки. Споры образуют два рода грамположительных палочек: аэробные - рода Bacillus и облигатно анаэробные - рода Clostridium, третий представитель – Грам (+) кокки рода Sporosarcina. Когда исчерпаны все запасы питательных веществ, внутри этих клеток образуется одна эндоспора. Спора - это покоящаяся клетка, устойчивая к действию высушивания, химических веществ, температуре, потенциально способная к превращению в вегетативную форму в благоприятных условиях. В клетке спорообразование происходит, когда она находится во внешней среде, процесс спорообразования не отмечен в тканях организма.

Резистентность спор связана с большим количеством кальциевой соли и дипиколиновой кислоты, присутствующей в ее оболочке. Диаметр споры может не превышать размер клетки (Bacillus) или превышать его (Clostridium). Споры в клетке могут располагаться центрально (Bacillus), ближе к концу - субтерминально (Cl. botulinum) и в конце клетки - терминально (Cl. tetani).

Спорообразующие клетки дополнительно имеют в хромосоме 60 генов. Cпоруляция (инициация) напрямую связана с геном spo0. Транскрипция этого гена запускает процессы последовательной транскрипции 40 оперонов. Это включает определенные биохимические и морфологические процессы. Образуются сигма-единицы РНК-полимераз, которые обеспечивают функцию множества промоторов.

Это гены, которые обеспечивают споруляцию.

В каждой спорообразующей клетке формируется одна эндоспора. Первый шаг процесса спорообразования - морфологические изменения ядерного вещества клетки, образующего тяж вдоль длинной оси спорулирующей клетки. Приблизительно 1/3 тяжа отделяется и переходит в формирующуюся спору. Впоследствии этот ядерный тяж целиком переходит в спору.

Формирование споры начинается с того, что у одного из полюсов клетки происходит уплотнение цитоплазмы. Этот участок цитоплазмы совместно с частью генетического материала полностью обособляется от остального клеточного содержимого с помощью перегородки, которая формируется за счет ЦПМ, впячивающейся внутрь клетки.

Мембрана прорастает от периферии к центру, где срастается, что приводит к образованию споровой перегородки. Следующий этап – обрастание отсеченного участка цитоплазмы ядерным материалом клетки, что приводит к образованию предспоры.

Начинается формирование кортикального слоя (кортекса). Поверхность наружной мембраны предспоры синтезирует споровые покровы. Спорообразование сопровождается активным синтезом белка, богатого цистеином и гидрофобными аминокислотами. В споре содержание ДНК ниже, чем в клетке. Спора содержит 2-3 копии хромосомы.

Все это время происходит накопление дипиколиновой кислоты и ионов кальция. Формирование споры идет в течение 18-20 ч.

Споровые покровы состоят из белков и небольшого количества гликолипидов и липидов. Белки обладают высокой устойчивостью к неблагоприятным условиям, что делает спору защищенной от литических и др. ферментов. Благоприятствующими условиями для существования споры являются наличие или отсутствие определенных питательных агентов, определенная температура среды, кислотность, аэрирование.

Протопласт споры (ядро) содержит хромосому, компоненты аппарата синтеза белка и энергетическую систему.

Стенка споры - это слой, который непосредственно окружает внутреннюю споровую мембрану. Она содержит пептидогликан и становится стенкой прорастающей вегетативной клетки.

Кортекс - это самый толстый слой клеточной оболочки споры. Он содержит необычный тип пептидогликана с меньшим количеством поперечных сшивок, чувствителен к лизоциму, а его автолиз играет ключевую роль в процессе прорастания споры.

Оболочка споры - состоит из кератиноподобного белка, содержащего дисульфидные связи. Плохая проницаемость этого слоя обусловливает относительную резистентность спор к антибактериальным химическим веществам.

Экзоспорий - липопротеиновая оболочка, содержащая некоторое количество углеводов.

Обычно, попадая в благоприятные условия споры, прорастают и превращаются снова в вегетативные клетки. Процесс прорастания спор идет значительно быстрее (4-5 ч), чем образование спор и состоит из трех стадий: активации, начальной стадии и стадии роста.

Прорастание спор происходит с получением определенного, в том числе - химического сигнала, который для разных бактерий может быть - источником энергии, аденозином, L- аланином, температурой и пр. В качестве веществ, которые инициируют прорастание спор, эффективны углеводы, неорганические ионы, некоторые аминокислоты. На первом этапе прорастания споры происходит активация ферментов, особенно литических, возрастает дыхательный процесс. Из спор целиком удаляется дипиколиновая кислота, идет активный синтез белков и РНК, но репликация ДНК начинается не ранее двух часов от начала прорастания споры.

Активация- это пусковой механизм прорастания споры, т.к. даже в богатой среде спора не будет прорастать, если не произойдет ее активация агентом, повреждающим оболочку. Это может быть кислая среда, температура, механическое повреждение оболочки и пр.

Начальная стадия. После активации спора прорастает, если благоприятны условия ее окружения. Связывание эффектора активирует автолизин, который быстро разрушает кору пептидогликана. После этого, спора поглощает воду, освобождается дипиколдинат кальция и многие другие компоненты. Споры разрушаются гидролитическими ферментами.

Стадия роста. С разрушением коры и наружных слоев споры, появляется растущая вегетативная клетка, состоящая из протопласта и окружающей стенки. Наступает период активного биосинтеза, заканчивающийся делением клетки, который и называют стадией роста.

3.2.9. Строение вирусов

Вирусы имеют уникальную форму и строение, отличающиеся от бактерий, поэтому они рассматриваются отдельно. Вирусы - это мельчайшие реплицирующиеся организмы. Все вирусы существуют в двух формах: внеклеточной, называемой вирионом и внутриклеточной - вирусом.

Вирусная частица - это структура, приспособленная для переноса нуклеиновой кислоты. Существуют два типа вирусных частиц: имеющие внешнюю оболочку (липидный бислой) и лишенные оболочки. Внутренняя структура их сходна.

Размеры вирусов варьируют в широких пределах: от 15-18 нм до 300-400 нм. Одним из самых маленьких является вирус полиомиэлита - около 20 нм, а наиболее крупный вирус натуральной оспы, около 350 нм.

Вирионы состоят из нуклеиновой кислоты, капсида, нуклеокапсида, белков, возможно - оболочки и пр. элементов.

Субъединица или белковая субъединица - это уложенная определенным образом единая полипептидная цепь.

Структурный элемент (структурная субъединица) - одна или несколько неидентичных белковых субъединиц, которые образуют химически завершенный блок более высокого порядка, например, VP1 и пр. у полиовируса, Е1 и пр. у вируса Семлики и т.д.

Морфологическая единица - это выступы или кластеры на поверхности вириона, они видны в электронном микроскопе.

Геном вируса образуют нуклеиновые кислоты одно - или двухцепочечной РНК и двухцепочепочечной ДНК. Вирусы имеют один геном, поэтому названы гаплойдными. Геном, по аналогии с эукариотами, был назван хромосомой.

ДНК вирусов образуют циркулярные сцепленные суперспирализованные и линейные двунитевые структуры. В ДНК находятся прямые или инвертированные повторяющиеся последовательности, являюшиеся маркерами вирусной ДНК.

РНК - одно или двунитевые молекулы, бывают сегментированные. Двунитевые цепи бывают в виде линейной цепи или в виде кольца. Одноцепочечные РНК бывают 2-х типов: одни, обладающие способностью транслировать закодированную информацию на рибосомы клетки хозяина, называют иРНК. Это плюс-нить и ее обозначают «+», позитивный геном. Другие однонитевые РНК, служащие матрицей, называют минус-нить «-», негативный геном. Вирусы с РНК плюс-нить проявляют инфекционность и имеют на своих концах рецепторы для узнавания рибосом. Двунитевые РНК как и большинство РНК минус-нить – не имеют инфекционности.

Структурные субъединицы упаковываются в виде спирали или кубической симметрии, образуя внутри полость. Многократно повторяющиеся субъединицы образуют капсид - белковый чехол, образующий комплекс с нуклеиновой кислотой, которая компактно уложена в полость. Капсид защищает геном, обеспечивает проникновение вириона в клетку. Это строго упорядоченная структура - (греч. capsa - ящик)

Асимметрические субъединицы, объединенные в морфологические субъединицы, имеют название капсомеров.

Вирион наиболее простого вируса представляет собой нуклеокапсид - комплекс белка с нуклеиновой кислотой, в виде упакованной формы генома вирусной частицы. В сложных вирионах нуклеокапсид представляет собой "сердцевину", например, вируса Синдбис и др. Это наиболее сложная подструктура. Нуклеокапсид сложных вирионов покрыт внешней оболочкой - суперкапсидом.

Суперкапсид у разных вирионов является белковой мембраной или построен из двух липидных слоев, куда погружены специфические белки гликопротеины, в виде шипов во внешней оболочке.

Вирусные подструктуры собираются из белковых субъединиц, кодируемых геномом. Эти подструктуры должны состоять из большого числа идентичных копий, а это требует определенной симметрии в расположении субъединиц.

Капсид, образованный субъединицами, имеет строго упорядоченную структуру, скомпонованную по двум основным типам симметрии: сферической и спиральной.

Спиральная симметрия (палочковидные и нитевидные вирусы). Этот тип симметрии обусловлен винтообразной структурой нуклеокапсида. Организация вируса по типу спирали придает ему палочковидную форму. Вирион имеет относительно большую площадь. Свобода нуклеиновой кислоты невозможна без разрушения вириона.

Сферическая симметрия. Большинство вирусных частиц с замкнутым чехлом обладает икосаэдрической симметрией. Это самая эффективная симметрия: в этом случае при сборке чехла используются строительные блоки минимального размера. Капсиды с симметрией более высокого порядка, чем икосаэдрическая, существовать не могут. Любая структура икосаэдрической симметрии имеет 60 идентичных элементов, связанных друг с другом осями симметрии 2, 3 и 5 порядков. Элементы, в виде запятых, связанные осями симметрии 2-го порядка расположены как бы «лицом к лицу», связанные осями 3-го порядка - «затылком к затылку», а осями 5-го порядка - «хвостом к хвосту». Организация по типу икосаэдрической симметрии придает вирусу сферическую форму.

Оболочка вирусов (пеплос). Ряд вирусов приобретает двойную липидную оболочку в процессе отпочковывания от мембраны клетки-хозяина. В мембрану встраиваются такие элементы как гликопротеины. Липиды имеют клеточное происхождение, белки кодируются вирусом. Один или два типа вирусных гликопротеинов (гемагглютинин и нейраминидаза) закрепляются в клеточной мембране с помощью трансмембранного гидрофобного пептида. При электронном микроскопировании они видны в виде слоя поверхностных «шипов» - гликопротеиновых структур, выступающих из липидного бислоя. Липиды состоят из фосфо- и гликолипидов нейтральных, большинство из них происходит из мембраны клеток хозяина.

Оболочка вирусов принимает активное участие в 4 стадиях жизненного цикла вирусов:

1. Гликопротеин через клеточные рецепторы, обеспечивает присоединение вируса к клетке-мишени.

2. Вирусная оболочка инициирует инфекцию, вызывая слияние оболочки вируса с клеточной мембраной и перенос нуклеокапсида в клетку.

3. Почкование вируса обеспечивает освобождение вирионов из инициированных клеток без лизиса последних.

4. Белки гликопротеинов являются иммуногенами, а также основой вакцин.

Вирусные белки. Они подразделяются на структурные и функциональные. Первые, в основном, входят в состав капсида и других структур. Внешние белки вируса способны распознать клетку-мишень. Функциональные белки (например, нейраминидаза и гемагглютинин) обеспечивают адгезию к рецепторам чувствительных клеток и иммунный ответ хозяина.

Ферменты вирусов. Многие вирусы содержат в составе капсида несколько групп ферментов. К первой группе относятся ферменты репликации и транскрипции. Ко второй группе относятся ферменты, участвующие в проникновении вирусной нуклеиновой кислоты в клетку хозяина и выходе образовавшихся вирионов (нейраминидаза, лизоцим). Ферменты вирусов делят также на вирионные и вирусиндуцированные. Одни входят в состав вириона и участвуют в транскрипции и репликации (ДНК- и РНК-полимеразы, нейраминидаза эндо- и экзонуклеаза, обратная транскриптаза, нейраминидаза). Вторые закодированы в вирусном геноме - (РНК-полимеразы, ДНК-полимеразы).

3.2.10. Строение актиномицетов

Возбудители актиномикоза относятся к отдельной группе Актиномицеты. По уровню организации их место между бактериями и грибами. Они имеют настоящий ветвящийся мицелий, субстратный или воздушный, у большинства с плодоносными ветками и спорами в воздушных частях колонии. Мицелий не септированный, т.е. не имеет перегородок. Ветви мицелия развиваются из одной почки, которая вытягивается в палочку, а затем и в нить с ответвлениями. Актиномицеты грамположительные бактерии, морфологически сходные с родами коринебактерий и микобактерий. Актиномицеты имеют ЦПМ, нуклеойд, клеточную стенку. Молодой воздушный мицелий видом бархатно-пушистый. Нити мицелия концевые - волнистые, количество завитков от 1 до 10. Споры бывают наружные (по бокам) и внутренние - в спорангиях. Зрелые актиномицеты имеют вакуоли, зернистость, капельки жира. В тканях организма актиномицеты образуют друзы, беспорядочно переплетенные в центре нити мицелия с радиально отходящими нитями. Некоторые актиномицеты образуют полисахаридную капсулу вокруг нитей. Актиномицеты - это факультативные анаэробы. Они проявляют кислотоустойчивые свойства.

Общую ветвь с ними образуют нокардиоподобные актиномицеты. Они отличаются наличием в клеточной стенке сахаров (арабинозы, галактозы), миколовых жирных кислот. Миколовые кислоты и липиды обусловливают кислотоустойчивость бактерий, в частности, микобактерий. Патогенные нокардии вызывают нокардиоз, актиномицеты - актиномикоз, микобактерии – туберкулез, лепру и пр. Сапрофитические формы актиномицетов и нокардиоподобных бактерий широко распространены в природе, в почве, участвуют в круговороте веществ, многие являются продуцентами антибиотиков.

При актиномикозе обнаруживают в гнойном материале особые образования, которые получили название друзы. Это колония актиномицетов и состоит из ветвящихся нитей, пропитанных солями кальция. Центр бесструктурный, а по периферии образуется венчик в виде лучей (отсюда старое название актиномицетов – лучистые грибы).

3.2.11 Строение грибов

Грибы - эукариотические организмы. Это огромная группа одноклеточных и многоклеточных микроорганизмов, насчитывающая до 500 тысяч видов. Клеточная стенка грибов включает хитин, глюканы, маннаны – это полисахариды. ЦПМ включает эргостерин и зимэстерол. Грибы имеют ядро, окруженное ядерной мембраной.

Цитоплазма содержит микротрубочки, эндоплазматическую сеть, митохондрии, вакуоли.

У большинства грибов вегетативное тело (мицелий) состоит из тонких ветвящихся нитей, называемых гифами. Переплетаясь, мицелий образует грибницу. Гифы грибов растут на поверхности или внутри питательного субстрата, поэтому мицелий может быть как воздушный, так и субстратный. Концы нитей могут быть закручены в спирали и завитки.

Грибы размножаются с помощью различных структур. Половые стадии обнаружены у многих патогенных грибов. Разновидности половых спор:

1. Зигоспора - верхушки гиф сливаются, происходит мейоз и образуются крупные зигоспоры.

2. Аскоспоры - в сумках, называемых аски, где произошел мейоз, образуются 4-8 и более спор.

3. Базидиоспоры - после мейоза на поверхности клетки - базидиум, на вершине каждой из четырех стеригм (малодифференцированные выросты ветвей мицелия) развивается по одной удлиненной базидиоспоры.

У большинства грибов обнаружены конидии или экзоспоры, это формы неполового развития. Наиболее частыми видами конидий являются:

а) бластоспоры - простые структуры образуются почкованием,

б) хламидиоспоры - гифальные клетки увеличиваются, образуют толстые стенки,

в) артроспоры - образуются в результате фрагментации гиф на отдельные клетки,

г) конидиоспоры - зрелые наружные споры на мицелии,

д) алейрии - протоплазма нитей целиком идет на образование споры, от мицелия остаются фрагменты.

Грибы делятся на фикомицеты и эумицеты. К фикомицетам относят:

- хитридиомицеты, ведущие сапофитический образ жизни, гифохитромицеты - имеют сходство с первыми;

- оомицеты - паразиты высших растений;

- зиготомицеты- включающие представителей рода Mucor, способные вызвать мукороликоз легких, головного мозга.

Эумицеты представлены аскомицетами, базидиомицетами (совершенные грибы) и дейтеромицетами (несовершенные грибы). Аскомицеты (сумчатые грибы) имеют мицелий септированный и половое размножение. Основной орган плодоношения - сумка или аска, содержащая 4 или 8 аскоспор. Аскомицеты вызывают аспергиллез и афлатоксикозы.

Базидиомицеты - шляпочные грибы с септированным мицелием.

Дейтеромицеты - несовершенные грибы, имеют септированный мицелий, но не имеют полового размножения. Они размножаются с помошью конидий. Большинство грибов могут вызывать у человека микозы, они относятся к несовершенным грибам.