Морфология микроорганизмов.

Морфология – обширный раздел науки микробиологии, изучающий внешний вид микроорганизмов, их строение, размножение и классификацию.

Наиболее важными микроорганизмами, играющими большую роль в природе, жизни человека и в биотехнологии являются следующие пять групп:

1. бактерии

2. актиномицеты (лучистые грибки)

3. плесневые грибы (плесени)

4. дрожжи (дрожжевые грибы)

5. ультрамикробы (вирусы, фаги)

Бактерии

Морфология бактерий

Наиболее низкоорганизованными из видимых в микроскоп являются бактерии и актиномицеты. Термин «бактерии» образован от латинского слова «bacterion», что означает «палочка». Это наиболее широко распространенная в природе группа микроорганизмов.

Бактерии – микроскопические организмы растительной природы, лишенные хлорофилла и поэтому нуждающиеся для своего развития в готовых органических веществах. Исключением являются зеленые и пурпурные серобактерии, содержащие пигмент подобный хлорофиллу и не нуждающиеся в органических веществах.

Большинство бактерий являются одноклеточными, но встречаются и многоклеточные бактерии – это нитчатые, лучистые, железобактерии и бактерии с боковыми выростами (к ним относят возмутителей туберкулеза и дизентерийную палочку).

Одноклеточные бактерии.

По форме клетки различают три основных семейства бактерий:

1. Шарообразные (кокки, от латинского слова «Cocus», что обозначает ягода). Диаметр – 1-2мкм.

   1. Микрококки.

      1. Монококки (единичные шаровые клетки) о

      2. Диплококки (две шаровые клетки рядом) оо

      3. Тетракокки (четыре шаровые клетки)

      4. Стафилококки (скопления неопределенной формы, напоминающие виноградую гроздь

   2. Стрептококки (шаровидные клетки располагаются в виде цепочки)

   3. Сарцинны (у них шаровидные клетки сгруппированы в пакеты правильной формы, например, в виде куба). Количество клеток – 8-16-32-64

2. Палочковидные бактерии. Их размеры: в длину – 1-4мкм, в толщину – 0,5-1мкм.

   1. Спорообразующие (бациллы)

   2. Неспорообразующие (бактерии)

3. Извитые

   1. Вибрионы (имеют форму запятой или запятой с одним жгутиком; к ним относятся возбудители халеры)

   2. Спириллы (изогнутые бактерии, имеющие от 3 до 5 плавных завитков)

   3. Спирохеты (штопорообразные бактерии, имеющие 15-20 мелких завитков, возбудители сифилиса)

4. Торообразные

5. Имеющие форму червя

6. В виде звезды

7. Простекобактерии (с боковыми выростами)

Строение прокариотной клетки.

Бактерии имеют поверхностные и внутренние структуры. К поверхностным относятся:

1. капсула

2. жгутики, клеточные ворсинки (фимбрии и пили)

3. клеточная стенка

4. цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

Внутренние структуры:

1. цитоплазма

2. нуклеоид (ядерный аппарат)

3. рибосомы

4. мезосомы

5. запасные включения

6. споры (у бацилл)

Капсулы. Большинство бактерий окружено слоем слизистого вещества, расположенного поверх клеточной стенки. У одних бактерий капсулы состоят из полисахаридов, у других из полипептидов или липидов. Капсулы содержат до 98% воды, и защищают клетку от механических повреждений и высыхания.

Слизеобразующие бактерии (имеющие капсулы) вызывают ослизнение пищевых продуктов, таких как сахарный сироп, сыр, колбасы, квашеные овощи, огурцы, вино, пиво.

Органы движения. Жгутики. Все бактерии делятся на подвижные и неподвижные. К неподвижным относятся кокки и часть палочковидных бактерий. К подвижным относят все извитые бактерии и часть палочковидных. Подвижные бактерии бывают скользящие и плавающие. Скользящие бактерии перемещаются по поверхности за счет волнообразных движений, а плавающие за счет жгутиков. Причем количество жгутиков может быть разным.

Бактерии с одним жгутиком на одном полюсе клетки называются монотрих - , если пучек жгутиков – лофотрих , если на обоих полюсах по пучку жгутиков – амфитрих , если покрыта жгутиками – перетрих .

За секунду бактерия перемещается на расстояние равное её длине.

Клеточные ворсинки фимбрии и пили. Фимбрии – длинные прямые нити, они короче и тоньше жгутиков, но более многочисленные. На одну бактерию приходится от 100 до нескольких тысяч фимбрий.

Различают фимбрии двух типов: фимбрии общего типа (помогают бактерии прилипать к другим клеткам или к инертному субстрату, это органы прикрепления) и фимбрии второго типа (половые фимбрии или пили, они имеют внутри канал, по которому генетический материал переходит из одной клетки в другую при размножении бактерии или так же могут служить для прикрепления патогенных бактерий к тканям животных или человека)

Клеточная стенка. Это один из главных элементов структуры бактериальной клетки. Она обладает определенной жесткостью и эластичностью, придает клетке определенную форму. При разрушении клеточной стенки ультразвуком или ферментом лизоцимом (фермент, содержащийся в слюне или слезах), все бактерии становятся шаровидными, и такая округлившаяся клетка называется протопластом. Клеточная стенка защищает содержимое клетки от действия механических и осмотических сил внешней среды. Так же она имеет важную роль в регуляции роста и деления бактерий. На клеточную стенку приходится до 20% сухого вещества бактерии и она относительно проницаема для крупных молекул и связана с цитоплазматической мембраной соединительными тяжами или мостиками. Считают, что клеточная стенка ответственна за окрашивание бактерий по Граму.

Х.Грам в 1884 году разработал метод окрашивания бактерий, позволивший разделить все бактерии на все группы: грамположительные, грамотрицательные. Суть метода окраски по Граму: при окрашивании бактерий красителем генцианвиолет, последующей обработке этиловым спиртом и красителем красным фуксином, одни бактерии окрашиваются в синий цвет (грамположительные), а другие в красные (грамотрицательные). Установлено, что различие в окраске зависит от химического состава клеточной стенки бактерии. Главным веществом, влияющим на окраску по Граму, является муреин (гликопептид, т.е. сложный белок, содержащий углеводный компонент) . У грамположительных бактерий клеточная стенка содержит многослойный муреин, в который вплетены белки, полисахариды и так называемые тейхоевые кислоты (полимеры липид и глицерид фосфорной кислот). У грамотрицательных бактерий муреин в клеточной стенке однослойный, в клеточной стенке много фосфолипидов, белков и получается неустойчивое синее окрашивание с генцианвиолетом. Эта синяя окраска легко разрушается при действии спирта, а при окрашивании красным фуксином грамотрицательные бактерии становятся красными. У грамположительных бактерий в клеточной стенке содержатся от 50 до 90% муреина, а у грамотрицательных – от 1 до 10%.

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) – это внешний слой цитоплазмы, который находится непосредственно под клеточной стенкой. Эта мембрана содержит от 50 до 75% белков и от 15 до 50% липидов. Липиды представлены в основном фосфолипидами, а так же каратиноидами и убихинонами. Белковая фракция цитоплазматической мембраны это структурные белки, имеющие ферментативную активность. По современным представлениям цитоплазматическая мембрана имеет жидкостно-мазаичную структуру, в которой имеется двойной текучий слой липидов, в который включены ассиметрично расположенные белковые молекулы, являющиеся ферментами (то есть биологическими катализаторами).

Цитоплазматическая мембрана играет роль осмотического барьера, контролирующего транспорт веществ в бактериальную клетку и из неё. В цитоплазматической мембране локализованы ферменты, которые называются пермеазы. Они осуществляют избирательный перенос органических и неорганических молекул, то есть участвуют в питании бактерии. На мембране находятся окислительные ферменты и ферменты транспорта электронов. Темпы роста цитоплазматической мембраны выше, чем темпы роста клеточной стенки. В итоге образуются впячивания, которые образуют, например, мезосомы. Мезосомы имеют разную форуму. Они могут быть в виде пузырьков, пластин или трубочек. В мезосомах находятся дыхательные системы ферментов и осуществляется синтез АТФ. То есть мезосомы являются аналогами лизосом в эукариотных клетках.

Цитоплазма – это коллоидная система, состоящая из воды, белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других веществ. В цитоплазме расположены различные мембраны, генетический аппарат рибосомы и запасные включения.

Рибосомы являются центрами синтеза белков в клетках. Это частицы, состоящие из РНК(60%) и белка (40%). Каждая бактерия содержит от 5 000 до 50 000 рибосом. Часто рибосомы объединяются в полирибосомы (до 10 рибосом).

Запасные включения – это гранулы различных форм и размеров, служат бактериям источником энергии и углерода. У бактерий может накапливаться гликоген или (животный крахмал), капельки жира и болютин (фосфорсодержащее соединение, состоящее из полифосфатов, служит запасным источником фосфора).

Нуклеоид (ядерный аппарат) – эквивалент ядра, находящийся в центральной части клетки. Представляет собой молекулу ДНК, имеющую дискретное состояние или палочковидную форму. ДНК бактерий имеет очень большую молекулярную массу и форму свернутой в кольцо нити длиной до 1.4мм и называемую бактериальной хромосомой. В стадии покоя бактерия имеет 1 нуклеоида, в фазе деления – 2 нуклеоида, в фазе размножения 4 и более нуклеоидов. Нуклеоид бактерии – основной носитель информации о свойствах клетки и основной фактор передачи этих свойств потомству.

Кроме нуклеоида в цитоплазме бактерии имеются короткие нити ДНК – плазмиды. Они являются нехромосомными факторами наследственности и придают бактериям дополнительные полезные для них свойства, например, устойчивость к лекарствам, болезнетворность и другие

Споры. Бактерии родов Bacillus и Clostridium могут образовывать споры. Споры – это тельца сферической или эллиптической формы, устойчивые к воздействию неблагоприятных факторов. Обычно, внутри бактериальной клетки образуется только одна спора. Спорообразование начинается, когда бактерии испытывают недостаток питательных веществ или при большом накоплении в клетке продуктов её обмена веществ, поэтому, споры рассматривают как приспособление организма для выживания в неблагоприятных условиях, а не как способ размножения.

Споры могут оставаться живыми в условиях, в которых вегетативные клетки погибают. Большинство спор хорошо переносит высушивание, а многие споры нельзя убить даже кипячением в течение нескольких часов. Для их уничтожения требуется температура пара 120°С при давлении в 1 атмосферу в течение двадцати минут. А в сухом состоянии споры погибают лишь при сильном нагревании до 150-160°С в течение нескольких часов.

Термоустойчивость спорам придает особое вещество дипиколиновая кислота. Она отсутствует у вегетативных клеток бактерий. Эта кислота образует комплекс с катионами магния, марганца и калия и накапливается в цитоплазме споры.

Механизм образования споры. В результате неравномерного деления бактериальной клетки, сопровождающегося впячиванием цитоплазматической мембраны, происходит обособление части нуклеоида с небольшой частью цитоплазмы. Образовавшаяся проспора затем покрывается большим количеством оболочек (от 5 до 15 слоев) и диаметр споры приблизительно равен диаметру клетки, в которой она образовалась или превышает её.

У некоторых бактерий спора формируется на конце клетки, которая приобретает вид барабанной палочки (такая клетка называется «кластридия» ). У других бактерий утолщенная спора расположена в центре клетки, клетка напоминает веретено (и называется «плектридия» ). Бациллы образуют споры следующим образом:

После созревания споры, клеточная стенка вегетативной части клетки разрушается и спора выходит в окружающую среду. При попадании в благоприятные условия, спора поглощает воду, набухает и прорастает.

В состоянии покоя споры могут находиться длительное время (десятки, сотни и тысячи лет). Жизнеспособные споры были обнаружены в трупах мамонтов и в египетских мумиях. Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки бактерий. Знание условий способствующих образование спор у бактерий и факторов, вызывающих и прорастание в вегетативные клетки имеет большое значение в выборе способа обработки продуктов для предотвращения их микробной порчи.