Исследователь должен выяснить, является ли организм фототрофным, хемоавтотрофным или хемогетеротрофным. Необходимо также знать, является ли он аэробом, анаэробом, микроаэрофилом или факультативным анаэробом, а также определить некоторые морфологические свойства, окраску по Граму, форму клеток, специфические морфологические признаки (наличие спор, капсул и т. д.). Весьма важными являются три физиологических теста: на наличие каталазы, наличие оксидазы и способности к аэробному или анаэробному катаболизму углеводов.

При классификации бактерий учитывается большое количество различных свойств и признаков.

Критериями систематикиявляются свойства и признаки, характерные для всех бактерий данной группы и нехарактерные для микроорганизмов других групп. Чем больше общих признаков имеют сравниваемые организмы, тем больше и оснований для включения их в одну таксономическую группу.

3. Строение прокариотической клетки

3.1. Размеры и формы прокариотической клетки

Размер прокариотической клетки крайне мал, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом. Основная единица измерения линейных размеров прокариот - микрометр (мкм), а структурных компонентов клетки - нанометр (нм). 1 мкм равен 10 (-6) м, т. е. одной миллионной доле метра, 1 нм = 10(-9) м. Как мы уже упоминали, одна из самых крупных бактерий имеет длину 125 мкм, а одна из самых мелких - Acholeplasma Laidlawi - 0,2 мкм (Громов Б. В., 1985).

Несмотря на все многообразие клеток бактерий, принято выделять 3 основные группы: шаровидные, палочковидные и извитые.

Шаровидные микроорганизмы называются кокками (лат. coccus - зерно). В свою очередь, кокки, расположенные одиночно, называют микрококками, попарно - диплококками, по четыре - тетракокками, цепочкой - стрептококками (греч. streptos - цепь), в виде грозди винограда - стафилококками (греч. staphyle - гроздь). Кокки, образующие скопления в виде пакетов, кубиков или пластин, называются сарцинами (лат. sarcio - связываю).

Палочковидные микроорганизмы имеют осевую симметрию и цилиндрическую форму клетки. Различают 2 типа палочек: спорообразующие и бактерии (греч. bakterion - палочка). Таким образом термин бактерия, распространившийся на все микроорганизмы, в строгом смысле обозначает только одну определенную группу микробов.

Спорообразующие бациллы, у которых диаметр соры превышает толщину клетки, называются клостридиями. В зависимости от расположения палочковидные микробы подразделяют на одиночные; расположенные попарно - диплобациллы, диплобактерии; в виде цепочек различной длины - стрептобациллы и стрептобактерии.

Извитые микроорганизмы имеют спиральную симметрию. В эту группу входят вибрионы, спириллы и спирохеты. Вибрионы (лат. vibrio - извиваюсь) имеют форму запятой. К вибрионам относится возбудитель такой страшной болезни, как холера, - Vibrio cholerae.

Спириллы (лат. spira - изгиб) - микроорганизмы, имеющие форму спирально извитых палочек с 4-6 завитками.

Спирохеты (греч. speria - изгиб, chaite - длинный волос) - клетки, имеющие более 8 спиральных завитков.

3.2. Ультраструктура клетки бактерий

Бактерии имеют строение, характерное для большинства прокариот. Некоторые ученые предлагают использовать понятие «бактериальная клетка».

В структуре бактериальной клетки выделяют основные и временные компоненты.

К основным компонентам относят клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму, рибосомы, нуклеоид. Временные структуры образуются лишь на определенных этапах жизненного цикла бактерий. К ним относятся капсула, жгутики, пили, споры.

Необходимо отметить, что впервые клеточное строение обнаружил в 1665 г. английский ученый Роберт Гук (1635-1703), занимаясь микроскопированием винной пробки (сделанной из коры пробкового дуба).

3.2.1. Клеточная стенка

Клеточная стенка - это внешняя оболочка клетки толщиной 10-100 нм. У прокариотических организмов она выполняет ряд важных функций: служит внешним каркасом клетки, защищающим ее от повреждающих факторов окружающей среды, придает клетке форму, участвует в обмене веществ (метаболизме), у патогенных бактерий содержит токсические вещества.

Основным компонентом клеточной стенки всех бактерий является муреин (лат. murus - стенка). Это полимер, имеющий два типа связей (гликозидные и пептидные), соединяющих мономерные субъединицы муреина в сетчатую структуру.

В 1884 г. Применен метод окраски бактерий несколькими анилиновыми красителями (генцианвиолет и фуксин), в результате чего одни микробы приобретали фиолетовый цвет, другие - красный.

Секрет окраски заключался в том, что определенная группа бактерий прочно фиксировала на своей поверхности комплекс генцианвиолета и йода и потому окрашивалась в фиолетовый цвет: такие бактерии называют грамположительными. Другие микроорганизмы после действия этилового спирта обесцвечивались и воспринимали цвет дополнительного красителя - красного фуксина: такие микробы принято называть грамотрицательными.

Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет большую толщину (до 100 нм), на 80-90 % она состоит из пептидогликана (Воробьев А. А., 1998). Она плотно прилегает к цитоплазматической мембране. Отличительной особенностью является наличие в клеточной стенке таких микробов тейхоевых кислот - полимеров глицерол- или рибитолфосфата, замещенных различными сахарами и Д-аланином (Готтшалк Г., 1982). Тейхоевые кислоты прочно связаны с пептидогликаном фосфоэфирными мостиками. Именно тейхоевые кислоты обеспечивают биохимическую стабильность клеточных стенок грамположительных бактерий. Содержание тейхоевых кислот в клетке может быть до 50 % (по массе) (Асонов Н. Р., 1997).

У грамотрицательных бактерий клеточная стенка намного тоньше - 5-15 нм. Пептидогликановый слой очень тонкий - 2 нм, он как бы «плавает» в периплазматическом пространстве, окруженном снаружи внешней мембраной, а внутри цитоплазматической мембраной или плазмолемой.

В мире микробов встречаются формы, полностью лишенные клеточной стенки, - протопласты, сферопласты и L-формы. Утрата клеточной стенки бактериями является следствием действия каких-либо неблагоприятных факторов внешней среды: литических ферментов, антибиотиков пенициллинного ряда, вирусов бактерий - бактериофагов. Протопласты и сферопласты - нестойкие образования, они вскоре погибают. В отличие от них, L-формы устойчивы во внешней среде и способны к самовоспроизводству. Термин «L-формы» предложен английским микробиологом Клинебергер-Нобель в 1935 г.: буква «L» обозначает институт им. Листера (учреждение, где впервые описаны эти организмы) (Зыкин Л. Ф., Васильев Д. А., 2000).

3.2.2. Цитоплазматическая мембрана (плазмолема)

Цитоплазматическая мембрана - неотъемлемая часть любой бактериальной клетки. Разрушение плазмолеммы неизбежно приводит к гибели микроорганизма. Химический состав цитоплазматической мембраны представлен на 75 % белками и на 15 % липидами (Громов Б. В., 1985). Структурно цитоплазматическая мембрана состоит из трех слоев: двух белковых и между ними идет один липидный (Асонов Н. Р., 1997). В процессе роста клетки цитоплазматическая мембрана способна образовывать выпячивания, или инвагинации, которые называются мезосомами. Назначение мезосом окончательно не выяснено.

Цитоплазматическая мембрана - полифункциональная структура. Она выполняет роль осмотического барьера клетки, благодаря своей полупроницаемости она способна контролировать поступление питательных веществ в клетку, а также является местом протекания различных реакций.

3.2.3. Цитоплазма

Термин «цитоплазма» ввел немецкий ботаник Эдвард Страсбургер (1844-1912). До этого считалось, что основные жизненные процессы протекают в клеточной стенке, а содержимое клетки рассматривалось как «балласт».

Цитоплазма состоит из цитозоля, в котором растворены РНК, ферменты, продукты обмена веществ и структурных элементов (рибосом, включений нуклеоида).

3.2.3.1. Рибосомы - одна из главных составляющих цитоплазмы у прокариот. Основная функция рибосом - синтез белка. Как уже упоминалось, клетка прокариот имеет константу седиментации - 7O S (скорость осаждения частицы при центрифугировании). Структурно рибосомы делятся на 2 субъединицы: 3O S и 5O S. Каждая субъединица состоит из РНК и белка. Количество рибосом в одной бактериальной клетке может достигать 50 тыс. Поскольку для прокариот характерна ассоциация процессов транскрипции и трансмиссии, то происходит агрегация рибосом в комплексные структуры - полисомы.

3.2.3.2. Нуклеоид. Ядро у прокариот называется нуклеоидом. Он представляет собой двойную нить ДНК, замкнутую в кольцо, которая в развернутом и деспирализованном виде имеет длину около 1,4 нм, т. е. в 1000 раз превосходит длину самой клетки. Кроме ДНК, в состав нуклеоида входят РНК-полимераза, собственно РНК, основные белки и липиды.

Отличительная особенность нуклеоида прокариот от ядра у эукариотических клеток - отсутствие ядерной оболочки. Однако в большинстве случаев у бактерий обнаруживается уплотнение цитоплазмы, соответствующее центральной ядерной зоне, где сосредоточены связанные с хромосомами продукты обмена веществ.

Геном бактерии заключен в одной хромосоме. Хромосома микроорганизмов всегда связана с цитоплазматической мембраной, при этом число точек прикрепления может быть около 20 и более. У грамположительных бактерий чаще всего наблюдается ассоциация нуклеоида с мезосомой. Такая структура называется нуклеидосомой.

Следует отметить, что, кроме хромосом, у бактерий обнаружены и внехромосомные генетические элементы - плазмиды. Термин дан Д. Ледербергом в 1952 г. Плазмиды представляют собой ДНК, замкнутую в кольцо размером до 5 % от величины хромосомы, и несут гены, придающие бактериям дополнительные свойства.

3.2.3.3. Включения - это не обязательный компонент бактериальной клетки. Они разнообразны по форме, химическому составу и назначению. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Принято различать 2 типа включений: ограниченные белковой мембраной и лишенные мембран.

Газовые вакуоли относятся к мембранным включениям. Это преимущественно полые цилиндры длиной до 1000 нм и диаметром около 80 нм. Состав газа в вакуолях соответствует газовому составу окружающей среды. Наиболее богата газовыми вакуолями цитоплазма водных бактерий.

Основная масса включений - это запасные питательные вещества. К таким образованиям относят полисахаридные, волютиновые, поли-бета-оксимасляные включения.

Полисахаридные включения бывают размером до 200 нм и лишены мембраны. Накопление полисахаридов обычно стимулируется недостатком азота и регулируется на уровне генома. Аккумулированный полисахарид служит источником энергии и углерода.

Накопление поли-бета-оксимасляной кислоты характерно только для прокариот. Гранулы этого вещества округлены в цитоплазме белковой мембраной. Образующиеся при распаде гранул вещества используются для роста бактериальной клетки.

Конгломераты волютина образованы преимущественно полифосфатами и выглядят в виде округлых телец размером до 1 мкм. Волютин способен раствориться в щелочах и горячей воде. Свое название волютин получил от названия бактерии Spirillum volutans, где, как считали раньше, это вещество способно накапливаться в виде зерен. Намного позже выяснили, что эти зерна состоят из поли-бета-оксимасляной кислоты, а не из волютина.

Основное назначение волютиновых зерен - источник фосфора и энергии.

3.2.4. Капсула

Слизистый слой, покрывающий всю поверхность бактериальной клетки, называют капсулой. Капсулу образуют не все микроорганизмы. В зависимости от толщины слизистого слоя различают макрокапсулу (менее 0,2 мкм), микрокапсулу (более 0,2 мкм). Основное вещество капсулы - полисахариды и фосфаты. Капсула может быть легко отделена от клетки, но это не приводит к ее гибели. Несмотря на это, капсула выполняет важную биологическую роль: защищает от неблагоприятных факторов внешней среды, поглощает влагу, служит средством прикрепления бактерий к субстрату. Обнаружение капсулы - важный видовой признак. Русский микробиолог Н. А. Михин (1872-1946) разработал метод специальной окраски капсул анилиновыми красителями, благодаря которому их можно увидеть в световой микроскоп.

3.2.5. Жгутик

Жгутик - орган движения бактерий. Именно благодаря жгутикам бактерии были открыты А. Левенгуком, т. к. движение есть свойство живой материи.

Однако как «орган» бактерий жгутик был впервые обнаружен в 1838 г.

Жгутик не является жизненно важной структурой и поэтому присутствует не у всех микроорганизмов. Длина жгутика может превышать длину клетки и обычно составляет 10-90 мкм.

Жгутик состоит из трех частей: спиральной нити из белка флегелина, крюка и базального тельца.

Спиральная нить имеет Н-конец, обращенный к телу бактерии, и Т-конец, удаленный от тела бактерии. Крюк жгутика - изогнутый белковый цилиндр. Основное его назначение - соединительное звено между базальным тельцем и нитью.

Базальное тельце - сложная структура, состоящая из центральной оси и колец.

Обычно бактерии передвигаются хаотично, но возможно и направленное движение - таксис.

3.2.6. Пили

Пили (фимбрии) представляют собой прямые тонкие (3-25 нм) полые выросты длиной до 15 мкм на поверхности бактериальной клетки. Основу пилей составляет белок пилин. Различают два типа пилий: общего назначения и половые (sex-пили). Пили общего назначения предназначены для прилипания микробов к субстрату (клеткам растений, грибов, животных и человека, а также неорганическим соединениям).

Половые пили необходимы бактериям для обмена генетической информацией (ДНК) между клеткой-донором и клеткой-реципиентом.

Термин «пили» был предложен американским микробиологом Ч. Бринтоном, а «фимбрии» - англичанином Д. Дьюгидом (Асонов Н. Р., 1997).

3.2.7. Споры и спорообразование

Споры образуют только грамположительные палочки (исключение - округлый микроб Sporosarcina ). Наиболее точно называть их эндоспорами. Споры рассматриваются как особый тип покоящихся клеток. Одна клетка образует только одну спору.

Увеличения организмов в данном случае не происходит, поэтому спорообразование не является размножением бактерий. Это всего лишь сохранение жизнеспособности в неблагоприятных условиях (при недостатке влаги, источников энергии, изменении рН). Строение спор однотипно у всех бактерий.

В центре располагается спороплазма, содержащая нуклеиновую кислоту, белки и специфическую для спор дипиколиновую кислоту. Спороплазма окружена многочисленными оболочками, самая массивная из них носит название «кортекс». Спорообразование - сложный и многоступенчатый процесс. Схематично его можно отобразить следующим образом:

1) образование осевого тяжа, включающего бактериальную ДНК;

2) образование круглой проспоры;

3) образование толстого муреинового слоя - кортекса;

4) окончательное обособление споры.