1.1.3 Строение бактерий

Оболочки бактериальной клетки. Цитоплазма большинства бактерий окружена оболочками: клеточной стенкой, цитоплазматической мембраной и капсульным (слизистым) слоем. Эти структуры принимают участие в обмене веществ, через оболочки клетки поступают продукты питания и удаляются продукты метаболизма. Они защищают клетку от действия вредных факторов среды, в значительной степени обуславливают поверхностные свойства клетки (поверхностное натяжение, электрический заряд, осмотическое состояние и др.). Эти структуры в живой бактериальной клетке находятся в постоянном функциональном взаимодействии.

Клеточная стенка. Бактериальная клетка отделена от внешней среды клеточной стенкой. Ее толщина 10-20 нм, масса достигает 20-50% массы клетки. Это сложная полифункциональная система, определяющая постоянство формы клетки, ее поверхностный заряд, анатомическую целостность, способность к адсорбции фагов, участие в реакциях иммунитета, контакт с внешней средой и защиту от неблагоприятных внешних воздействий. Клеточная стенка обладает эластичностью и достаточной прочностью, выдерживает внутриклеточное давление 1-2 МПа. Она имеет мельчайшие поры, через которые транспортируются продукты метаболизма.

Основными компонентами клеточной стенки являются пептидогликаны (гликопептиды, мукопептиды, муреины, гликозаминопептиды), которые содержатся только у прокариот. Специфический гетерополимер пептидогликан состоит из чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой посредством β-1-4-гликозидных связей, диаминопимелиновой кислоты (ДАП), D-глутаминовой кислоты, L- и D-аланина в соотношении 1:1:1:1:2. Молекула N-ацетилглюкозамина – производное глюкозы, в котором гидроксильная группа при втором атоме углерода замещена аминогруппой (к последней присоединен ацильный остаток); N-ацетилмурамовая кислота представляет собой эфир N-ацетилглюкозамина и молочной кислоты, к карбоксильной группе которой присоединен пептидный хвост из 4-5 аминокислот. Это чаше всего L- и D-аланины, D-глутаминовая кислота и одна из аминокислот (диаминопимелиновая, диаминомасляная, лизин, L-орнитин). Гликозидные и пептидные связи, которые объединяют субъединицы пептидогликанов, придают им структуру молекулярной сети или мешка (рисунок А.2).

Окраска по Граму. Большинство бактерий в зависимости от химического состава делятся на две группы. Это свойство было впервые замечено в 1884 г. датским физиком Х. Грамом. Сущность состоит в том, что при окрашивании бактерий генцианвиалетом (кристаллвиолетом, метилвиолетом и др.) у одних бактерий краска с йодом образует соединение, которое удерживается клетками при обработке их спиртом. Такие бактерии окрашены в сине-фиолетовый цвет и получили название грамположительных (Гр⁺), обесцвеченные бактерии – грамотрицательных (Гр^-), их докрашивают контрастной краской (фуксином). Окраска по Граму является диагностической только в отношении прокариот, обладающих клеточной стенкой.

По структуре и химическому составу грамположительные бактерии существенно отличаются от грамотрицательных. У грамположительных бактерий клеточная стенка более толстая (20-80 нм, иногда до 100 нм), гомогенная, аморфная, содержит 50-80% (иногда до 95%) муреина, который связан с тейхоевыми кислотами. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка более тонкая, слоистая (внутренний ригидный слой толщиной 2-3 нм и наружный, именуемый внешней мембраной, толщиной 8-10 нм), мало муреина (5-10%) и он находится в ригидном слое, тейхоевые кислоты отсутствуют.

Таблица 1.1 - Химический состав клеточной стенки бактерий

Компоненты клеточной стенки	Гр+	Гр-
Пептидогликан (муреин)	+++	+
Тейхоевые кислоты	+	-
Липиды	+	+++
Полисахариды	+	+
Белки	+ или -	-
Липополисахариды	-	+
Липопротеиды	-	+

Периплазма – это пространство между внешней мембраной клеточной стенки и цитоплазматической мембраной, характерна только для грамотрицательных бактерий. Толщина ее около 10 нм, содержит муреин, белки, олигосахариды, неорганические вещества.

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ). К внутренней стороне поверхности клеточной стенки прилегает ЦПМ. Она составляет 8-10% массы клетки. Толщина ее равна 7-10 нм. Основным компонентом ЦПМ является липидно-белковый комплекс, в котором белки составляют 50-75%, липиды – 15-45%, некоторые содержат углеводы (до 6%). Липиды в основном представлены фосфолипидами (до 80% всех клеточных липидов). ЦПМ состоит из двойного слоя фосфолипидов. Их полярные гидрофильные головки расположены на обеих внешних поверхностях двойного слоя, а гидрофобные цепочки жирных кислот размещаются в центральной части мембраны. Главная функция липидов – поддержание механической стабильности мембраны и придание ей гидрофобных свойств. Мембранные белки ассиметрично включены в двойной фосфолипидный слой и частично или полностью погружены в него (группа интегральных белков пронизывает насквозь слой фосфолипидов, группа периферических белков образует скопления на поверхности).

На внешней поверхности ЦПМ содержатся в основном гидролитические ферменты, на внутренней – окислительно-восстановительные. Ферменты принимают участие в окислительных процессах и в синтезе белка. ЦПМ выполняет функции внутреннего осмотического барьера, транспортные функции, синтеза веществ (мембранных липидов, компонентов клеточной стенки и капсулы и др.), энергетическую и дыхательную функции.

Мембранные образования. Скорость роста цитоплазматической мембраны превышает скорость роста клеточной стенки, вследствие чего происходит инвагинация (выпячивание) ЦПМ, и возникают различной сложности внутриклеточные мембранные образования. У грамотрицательных бактерий мембранные образования развиты слабо, устроены просто, у грамположительных - хорошо развиты, более сложно организованы и образуют внутриклеточные мембранные структуры (например, мезосомы).

Капсула. Клеточная стенка снаружи окружена слизистым слоем различной толщины и конфигурации. Если слизистый слой достаточно толст, прочен и имеет определенную форму, то называется капсулой. Анатомически различают: микрокапсулы (до 0,2 мкм, неразличимы с помощью оптического микроскопа), макрокапсулы (более 0,2 мкм, видны в микроскопе), слизистый слой (вязкие, накапливающиеся на поверхности клетки вещества, иногда во много раз превышающие толщиной размеры бактериальной клетки). По химическому составу различаются: капсулы: 1) полисахаридной природы, состоящие из гомополисахаридов (построены из сахарного остатка одного типа) или гетерополисахаридов (построены из различны сахарных остатков); 2) состоящие из полипептидов и полисахаридов. Способность образовывать капсулу является генетической, но зависит от условий среды. Капсулообразование – функция приспособления (предохраняет от высыхания, ядовитых веществ и пр.).

Микроорганизмы, образующие большое количество аморфной внеклеточной слизи, часто объединяют под общим названием – слизеобразующие (не имеющим таксономического значения). Они распространены на многих производствах, вызывают ослизнение сахарного сиропа, рыбы, рыбных и других продуктов, "тягучесть" пива и тузлуков, на целлюлозно-бумажных комбинатах приводят к ухудшению качества бумаги.

Чехлы. Отдельные виды бактерий, например, нитчатые, образуют чехлы. В отличие от капсулы чехлы имеют тонкую структуру, иногда многослойные, инкрустированные окислами металлов (железа, марганца), вследствие чего приобретают особую прочность, характеризуются более сложным составом. На дне озер и болот происходит отложение руды, состоящей из остатков железобактерий.

Цитоплазма – это содержимое клеток, окруженное ЦПМ. Цитоплазма является средой, связывающей все внутриклеточные структуры в единую систему. Она представляет собой цитозоль – полужидкую коллоидную массу, состоящую на 70-80% из воды. Содержит также РНК, ферменты, продукты и субстраты метаболических реакций. Вязкость цитоплазмы примерно в 800 раз больше вязкости воды. В молодых клетках вязкость невелика, но с возрастом повышается, что является одним из факторов снижения их физиологической активности.

Нуклеоид. Электронно-микроскопические и генетические исследования установили, что бактерии имеют структуры, функционально тождественные ядрам клеток высших организмов, но отличающиеся рядом особенностей: нуклеоид бактерий не имеет ядерной оболочки и ДНК находится в непосредственном контакте с цитоплазмой; нет разделения на хромосомы, нить ДНК представляет собой аналог хромосомы высших организмов и называется бактериальной хромосомой (в клетке может быть несколько ее копий); отсутствует митоз и мейоз.

Рибосомы. В цитоплазме находятся мелкие зерна рибонуклеопротеидов, получивших название рибосомы, которые являются центром синтеза белка. Это частицы размером 16-18 нм, состоящие из РНК (60-65%) и белка (35-40%). Рибосомы содержат 80-85% всей РНК бактериальной клетки. В зависимости от условий и возраста в клетке содержится 1,5-50 тыс. рибосом. Скорость роста клетки определяется скоростью образования рибосом. В среднем за каждую секунду образуется около 5-10 рибосом. Большая часть рибосом объединяется в полисомы – агрегаты, состоящие из рибосом, молекул иРНК и тРНК, которые располагаются в цитоплазме, связаны с ЦПМ или мембранными структурами.

Запасные вещества образуются в клетке в результате обмена веществ, их образование зависит от условий культивирования. По консистенции запасные вещества можно разделить на жидкие (поли-β-оксибутират), полужидкие (сера) и твердые (гликоген). С химической точки зрения они могут быть химически чистыми веществами (сера) и смесями. Каждый вид микроорганизма образует, как правило, только один тип запасного вещества.

Гранулёза является специфическим запасным углеводным веществом бактерий рола Clostridiun (C.butyricum, C.pasteurianum), при голодании исчезает, выявляется качественной реакцией со слабым раствором йода (клетки серо-синего или темно-синего цвета). Гликоген – гранулы полисахарида (С₆H₁₀O₄)_n сферической формы, диаметром 20-100 нм, выявляются раствором йода (гранулы приобретают красно-коричневый цвет). Углеводородные гранулы встречаются у использующих углеводороды бактерий. Поли-β-оксибутират – запас энергии и источник углерода обнаружен только у прокариот. Полифосфаты (волютин, или метахроматиновые гранулы) – это внутриклеточный резерв фосфора, служат источником энергии для клетки.. Эти включения называются метахроматином (греч. meta - изменение, chroma – цвет) потому, что некоторые красители (например, метиленовый синий) при окрашивании гранул изменяют цвет (в фиолетово-красный), или волютином по названию бактерий Spirillum volutans. Включения серы встречаются у серобактерий, окисляющих сероводород. Сера накапливается, когда в среде содержится сероводород, и окисляется до сульфата, когда весь сероводород среды исчерпан. Включения карбоната кальция (известковые тельца) в клетках некоторых серобактерий выполняют функцию нейтрализаторов среды. Газовые вакуоли (или аэросомы) характерны для водных бактерий. Они являются регуляторами плавучести (снижают плотность).

Придатки бактериальной клетки. На поверхности бактериальной клетки имеются придатки – ворсинки, стебельки, шипы, жгутики и др., объединенные подл общим названием – пили. Строение и функции их различны. У одной и той же бактерии могут присутствовать пили разной природы. Придатки не являются жизненно важной структурой клетки, их потеря не сопровождается нарушением процесса роста и размножения бактерий.