3. Ультраструктура и химический состав бактериальной клетки. Особенности строения грамположительных и грамотрицательных бактерий.

Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы с включениями и яд­ра, называемого нуклеоидом. Имеются дополни­тельные структуры: капсула, микрокапсула, слизь, жгутики, пили. Некоторые бактерии в неблагоприятных условиях спо­собны образовывать споры. Клеточная стенка. В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов, белков. Основным компонентом толстой клеточной стенки этих бактерий является многослойный пептидогликан (муреин, мукопептид), составляющий 40-90 % массы клеточ­ной стенки. С пептидогликаном клеточной стенки грамположительных бактерий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. teichos — стенка). В состав клеточной стенки грамотрицательных бакте­рий входит наружная мембрана, связанная посредством липопротеина с подлежащим слоем пептидогликана. На ультратонких срезах бактерий наружная мембрана имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с внутрен­ней мембраной, которую называют цитоплазматической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двойной) слой липидов. Внутренний слой наружной мембраны представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен липополисахарид. Функции клеточной стенки:  1. Обусловливает форму клетки.  2. Защищает клетку от механических повреждений извне и выдерживает значительное внутреннее давление.  3. Обладает свойством полупроницаемости, поэтому через нее избирательно проникают из среды питательные вещества.  4. Несет на своей поверхности рецепторы для бактериофагов и различных химических веществ. Метод выявления клеточной стенки - электронная микроскопия, плазмолиз. L-формы бактерий, их медицинское значение  L-формы - это бактерии, полностью или частично лишенные клеточной стенки (протопласт +/- остаток клеточной стенки), поэтому имеют своеобразную морфологию в виде крупных и мелких сферических клеток. Способны к размножению. Цитоплазматическая мембрана располагается под клеточной стенкой (между ними - периплазматическое пространство). По строению является сложным липид-белковым комплексом, таким же, как у клеток эукариот (универсальная мембрана). Функции цитоплазматической мембраны:  1. Является основным осмотическим и онкотическим барьером.  2. Участвует в энергетическом метаболизме и в активном транспорте питательных веществ в клетку, так как является местом локализации пермеаз и ферментов окислительного фосфорилирования.  3. Участвует в процессах дыхания и деления.  4. Участвует в синтезе компонентов клеточной клетки (пептидогликана).  5. Участвует в выделении из клетки токсинов и ферментов. Цитоплазматическая мембрана выявляется только при электронной микроскопии.

4. Подвижность бактерий. Методы определения подвижности. Споры и процесс спорообразования.

Подвижность бактерий может обеспечиваться различным образом. У большинства активно передвигающихся, плавающих бактерий движе­ние обусловлено вращением жгутиков.  Двигаться  без  жгутиков способны скользящие бактерии (к которым относятся миксобактерии, цианобактерии и некоторые другие группы) и спирохеты. О механизмах их движения будет сказано при рассмотрении соответствующих групп бактерий.

Расположение жгутиков. Расположение жгутиков у подвижных эубактерий-это признак, характерный для определенных групп, поэтому оно имеет таксономическое значение. У палочковидных бактерий жгутики могут прикрепляться полярно или латерально. Среди бакте­рий с монополярным жгутикованием лишь немногие снабжены только одним, но зато особенно толстым жгутиком-это монотрихи (Vibrio metschnikovii,; Caulobacter sp.). У многих бактерий с монопо­лярным и биполярным жгутикованием одиночный по виду жгутик в действительности представляет собой пучок из 2-50 жгутиков (поли-трихи). Монополярно-политрихальное расположение жгутиков назы­вают также лофотрихальным (как уPseudomonas, Chromatium), а бипо-лярно-политрихальное-амфитрихальным (у Spirillum). УSelenomonas имеется один пучок жгутиков, прикрепленный сбоку. При перитрихальном расположении (как у Enterobacteriaceae, Bacillaceae и не­которых других бактерий) жгутики располагаются по бокам клетки или на всей поверхности 

Выявление жгутиков. Рассмотреть жгутик (или пучок жгутиков) в проходящем свете или в условиях фазового контраста удается только у немногих бактерий, например у Chromatiumokenii, Bdellovibrio, Thiospirillum . У многих других бактерий (Pseudomonas, Spirillum и др.) жгутик и зону его биения можно увидеть только в тем­ном поле. Легче всего выявлять жгутики путем нанесения на них краси­теля или металла, а также с помощью электронного микроскопа.

Функции жгутиков. У большинства бактерий с полярным расположе­нием жгутиков последние действуют подобно корабельному винту и проталкивают клетку в окружающей жидкой среде. Жгутик представ­ляет собой спирально извитую нить, приводимую во вращательное дви­жение «мотором», находящимся в месте ее прикрепления в плазматиче­ской мембране. Для перемещения клетки может служить одиночный жгутик или пучок жгутиков. Жгутики вращаются сравнительно быстро; например, у спирилл они совершают около 3000 оборотов в минуту, что близко к скорости среднего электромотора. Вращение жгутиков приво­дит к тому, что тело клетки вращается примерно с 1/3 этой скорости в противоположном направлении.

Жгутики могут спонтанно или в ответ на внешний стимул изменять направление вращения. У некоторых бактерий с полярным расположением жгутиков это приводит к тому, что клетка начинает двигаться вспять. Когда у Chromatium okenii в ответ на вспышку света направление вращения жгутиков меняется, пучок жгутиков превращает­ся в тянущее приспособление; при этом назад клетка перемещается в четыре раза медленнее, чем вперед, и ее движение становится «кувыр­кающимся». У Thiospirillum jenense- гигантской фототрофной спи­риллы - единственный полярный пучок жгутиков при обратном движе­нии бьется уже не впереди клетки: пространство биения жгутиков теперь охватывает клетку с боков: оно как бы вывернуто наизнанку (подобно вывернутому ветром зонту). У спирилл с амфитрихальным расположением жгутиков в таком положении находится, смотря по об­стоятельствам, то один, то другой пучок.

Перитрихально расположенные жгутики Escherichia coli работают как один хорошо скоординированный спиральный пучок и проталки­вают клетку через среду. В тех случаях, когда направление вращения от­дельных жгутиков меняется, клетка начинает «кувыркаться». По-види­мому, перитрихально расположенные жгутики не могут служить тянущим приспособлением.

Бактерии, снабженные жгутиками, могут передвигаться очень бы­стро: Bacillus megaterium со скоростью 1,6 мм/мин, Vibrio cholerae-12 мм/мин. Это соответствует примерно от 300 до 3000 длин тела в минуту.

Тонкое строение жгутиков. Жгутики представляют собой спирально закрученные нити. У разных бактерий они различаются по своей тол­щине (12-18 нм), длине (до 20 мкм), а также по длине и амплитуде вит­ка. Эти параметры характерны для каждого вида. У некоторых бакте­рий могут образовываться жгутики разных типов. Нити жгутиков состоят из специфического белка флагеллина. Они построены из субъ­единиц с относительно малой молекулярной массой. Субьединицы рас­полагаются по спирали вокруг внутреннего свободного пространства. Таким образом, структура жгутика определяется свойствами белковых субъединиц.

Жгутик состоит из трех частей - описанной выше спиральной нити, «крюка» вблизи поверхности клетки и базального тельца. С помощью базального тельца жгутик закреплен в плазматической мембране и в клеточной стенке. Оно состоит из центрального стержня, на котором у грамотрицательных бактерий находятся две пары колец. На­ружная пара (кольца L и Р) расположены на уровне наружного и внут­реннего слоев клеточной стенки, а внутренняя пара (кольца S и М)-на уровне наружного слоя плазматической мембраны. Так как у грамположительных бактерий наружная пара колец отсутствует, полагают, что для вращения жгутиков необходима только внутренняя пара. Можно представить себе, что кольцо М действует как приводной диск, а кольцо S играет роль подшипника на внутренней поверхности пептидогликано-вого слоя. Молекулярный механизм вращательного «мотора» жгутика пока не выяснен.

О- и Н-аитигены. Proteus vulgaris часто распространяется по всей по­верхности агара в виде тонкого серого налета (Н-форма, от нем. Hauch-налет). Такое «роение» объясняется большой подвижностью клеток. Некоторые штаммы налета не образуют (О-форма, от нем. ohne Hauch-без налета). Эти штаммы неподвижны, они лишены жгутиков. Отсюда ведет свое начало обычная терминология, принятая в бакте­риальной серодиагностике; антигены поверхности или вообще тела клетки (соматические) называют О-антигенами, а антигены жгути­ков - Н-антигенами.

Фимбрии и пили. Поверхность некоторых бактерий покрыта боль­шим числом длинных, тонких прямых ни­тей толщиной, называемых фимбриями или пилями. Они встречаются как у жгутиконосных видов, так и у форм, лишенных жгутиков. От них следует отличать половые пили, или пили типа F, которые были обнаружены у клеток-доноров Escherichia coli К 12, т.е. у штаммов, содержащих половой фактор F (F ⁺, Hfr). Пили F встречаются только по одной или по две на клетку, они имеют вид полых белковых трубочек длиной от 0,5 до 10 мкм.

Хемотаксис. Свободно передвигающиеся бактерии способны к такси­сам-направленным движениям, определяемым внешними стимулами. В зависимости от факторов среды, вызывающих направленное движе­ние, говорят о хемотаксисе, аэротаксисе, фототаксисе и магнитотаксисе.

Подвижные бактерии реагируют на химические раздражители-скап­ливаются в одних местах, а других мест избегают. Такая реакция сво­бодно передвигающихся организмов называется хемотаксисом. Скопле­ния бактерий образуются под действием химических факторов следую­щим образом. У форм с перитрихальными жгутиками возможны только два типа двигательного поведения: прямолинейное движение и кувыркание. Последнее прерывает прямолинейную пробеж­ку и изменяет направление пути. Когда бактерия оказывается в среде с градиентом концентрации «привлекающего» ее субстрата, ее прямолинейное движение длится многие секунды, если она плы­вет по направлению к оптимальной его концентрации; однако такое движение через несколько секунд прекратится, если бактерия плывет в противоположном направлении. Хотя направление прямолинейного движения после кувыркания оказывается совершенно случайным, тем не менее зависимость длительности такого движения от его направления приводит в конечном результате к накоплению бактерий в области оп­тимальной концентрации субстрата. За чувствительность к химическому стимулу и за реагирование на него ответственны хеморецепторы. В ряде случаев эти хеморецепторы действуют независимо от способности бак­терий утилизировать данный субстрат. Например, некоторые мутанты продолжают совершенно нормально реагировать на определенное пита­тельное вещество, хотя и потеряли способность его использовать.

Аэротаксис. У подвижных бактерий можно определить тип метаболизма (аэробный или анаэробный) по их аэротаксическим движениям и скоплению на определенных расстояниях от края покровного стекла. В слое бактерий, поме­щенных между предметным и покровным стеклами, аэрофильные бактерии скапливаются у края покровного стекла или в непосредственной близости от оказавшихся в препарате пузырьков воздуха; это указывает на их потребность в аэробных условиях и на то, что необходимую энергию они получают за счет дыхания. Строго анаэробные бактерии будут скапливаться в центре. Микроаэрофильные бактерии, например некоторые псевдомонады и спириллы, будут держаться на определенном расстоянии от края. С помощью бактерий, проявляющих положительный аэротаксис, Энгельману удалось продемонстри­ровать выделение кислорода локально освещаемыми хлоропластами зеленой во­доросли Spirogyra.

Фототаксис. Фототрофным пурпурным бактериям для получения энергии необходим свет. Не удивительно поэтому, что в результате фототаксиса они скапливаются в освещенном месте. Если выдержать в темноте препарат, в кото­ром плотная суспензия клеток Chromatium будет равномерно распределена под покровным стеклом, а затем направить на него сфокусированный пучок света, то бактерии сосредоточатся в области светового пятна. Клетки, попавшие в это пятно случайно в результате своего беспорядочного движения, уже не могут его покинуть. Как только они попадут в темную зону, направление движения жгути­ков мгновенно меняется на обратное и клетки возвращаются в освещенное ме­сто. Изменение работы жгутиков происходит так быстро, что эта реакция полу­чила название «реакция испуга» (фоботаксис). Впрочем, для того чтобы вызвать такой ответ, достаточно даже небольшого различия в освещенности двух участков. Мелкие клетки Chromatium скапливаются уже в таком месте, где освещенность всего на 0,7% выше, чем в окружающей области. Таким образом, по своей чувствительности к световому контрасту они приближаются к сетчатке человеческого глаза (для которой соответствующий порог равен 0,4%).

Магиитотаксис. Из поверхностных слоев донного ила пресноводных водое­мов, а также морей были выделены бактерии (палочки, спириллы, кокки), спо­собные ориентироваться в магнитном поле и перемещаться в направлении ли­ний магнитного поля. Они содержат много железа (0,4% сухого вещества) в форме ферромагнитной окиси железа (магнетита), которая находится в грану­лах (магнитосомах), расположенных около мест прикрепления жгутиков. Бакте­рии, выделенные в северном полушарии, «ищут» север; здесь линии магнитного поля проходят под углом около 70° к горизонту вниз, в глубь водоема. Магни-тотаксическоё поведение направляет бактерии в глубину ила, где очень мало или вовсе нет кислорода. Так как магнитотаксические бактерии-анаэробы или ми-кроаэрофилы, их реакция на магнитное поле понятна с точки зрения экологии. Такие клетки, завезенные в южное полушарие, в массе своей, конечно, погибнут; выживут лишь немногие «неправильно» поляризованные клетки, которые могут затем   размножиться.   Полярность,   очевидно,   генетически   не   зафиксирована.

Ворсинки

К поверхностным структурам бактериальной клетки относятся также ворсинки (фимбрии, пили). Их насчитывается от нескольких единиц до нескольких тысяч на клетку. Эти структуры не имеют отношения к движению бактерий и обнаружены у подвижных и неподвижных форм. Ворсинки построены из одного вида белка — пилина — и представляют собой прямые белковые цилиндры, отходящие от поверхности клетки. Они, как правило, тоньше жгутиков, расположены перитрихиально или полярно. Больше всего сведений имеется о ворсинках Е. coli. У этой бактерии описаны ворсинки общего типа и половые.

Ворсинки общего типа придают бактериям свойство гидрофобности, обеспечивают их прикрепление к клеткам растений, грибов и неорганическим частицам, принимают участие в транспорте метаболитов. Через ворсинки в клетку могут проникать вирусы.

Наиболее хорошо изучены половые ворсинки, или F-пили, принимающие участие в половом процессе бактерий. F-пили необходимы клетке-донору для обеспечения контакта между ней и реципиентом и в качестве конъюгационного тоннеля, по которому происходит передача ДНК. Ворсинки нельзя считать обязательной клеточной структурой, так как и без них бактерии хорошо растут и размножаются.

Споры — это овальные и сферические тельца, окруженные тол­стой оболочкой. Они представляют собой стойкие образования бак­териальной клетки, несущие функцию сохранения и продолжения вида при экстремальных условиях. Спора способна выносить разно­образные неблагоприятные условия внешней среды. Споры состоят из протоплазмы, окруженной очень плотной оболочкой. Они сильно преломляют свет и четко видны в световой микроскоп. В простей­шем виде схему образования споры можно представить следующим образом: бактериальная клетка выделяет плотную оболочку, про­топлазма клетки сгущается за счет обезвоживания; вокруг уплот­ненной протоплазмы начинает развиваться оболочка с несколькими слоями. Содержимое клетки полностью идет на образование споры.

Внутренняя структура спор еще полностью не изучена, однако известно, что в них содержатся очень сложные ферментные систе­мы, генетический материал. В споре обнаружено особое вещество дипиколиновая кислота, которая образует с ионами кальция комплекс, обеспечивающий термоустойчивость. Как правило, внутри бактериальной клетки образуется только одна спора. Однако в последнее время у некоторых видов клостридиев (Clostridium) обнаружены клетки с двумя и более спорами. Величи­на и расположение спор различны: у одних видов бактерий они развиваются в центре, не превышая размер клетки (центральный тип спорообразования, или бациллярный); у других вздувается шарообразно центр или конец клетки, а бактерии имеют вид вере­тена или барабанной палочки (центральный и полюсной плектридиальный типы).

Спорообразование присуще бактериям, имеющим палочковидную форму; у кокков Спорообразование наблюдается редко; у изви­тых форм почти не встречается. Споры образуются в основном в момент действия различных неблагоприятных условий на бактери­альную клетку, например при высыхании, избытке кислорода (у анаэробов), высоких температур и т. д. Следовательно, можно вы­звать искусственно образование спор, культивируя бактерии в по­добных условиях. Как только спора попадает в благоприятную сре­ду, а таковой могут быть прежде всего влага, тепло и даже незна­чительное количество питательного субстрата, она начинает прора­стать.

Прорастание споры происходит через небольшой промежуток времени, так называемый инкубационный период. В зависимости от условий среды оно осуществляется за несколько часов. Вода, проникая через оболочку споры, вызывает ее набухание. Спора увеличивается поч­ти в два раза, внутри нее усиливается активность ферментов.

Споры имеют две оболочки: наружную (экзоспориум) и внут­реннюю (эндоспориум). Экзоспориум—очень плотная структура, пропитана различными жировыми веществами, затрудняющими проникновение внутрь споры вредных веществ, а также красителей. Чтобы прокрасить спору, надо ее предварительно пропарить в кар­боловой кислоте или щелочах в течение 30—60 мин, в зависимости от химического реагента, над пламенем горелки и только потом ок­рашивать.

Споры могут длительное время (сотни и тысячи лет) существо­вать в покоящемся состоянии. Знание механизмов спорообразования чрезвычайно важно для борьбы со спорообразующими микро­организмами. Предупреждение спорообразования позволило бы не применять дорогостоящие методы стерилизации при консервирова­нии, цель которых сводится к уничтожению спор. Для уничтоже­ния спор необходимо воздействие пара при температуре 120 °С и давлении 1 атм (1,01-Ю⁵ Па) в течение 20 мин. Споры погибают лишь при нагревании до 150—160 °С в течение нескольких часов в сушильном шкафу.

В природе есть микроорганизмы, образующие относительно ус­тойчивые к неблагоприятным условиям среды покоящиеся клетки, но не споры. Это цисты (у азотобактера), миксоспоры (у миксобактерий), акинеты (у цианобактерий).