клеточная стенка, цитоплазматическая

СТРОЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ (КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА,
ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМРАНА, ЦИТОПЛАЗМА, НУКЛЕОИД, РИБОСОМЫ,
МЕЗОСОМЫ, ВКЛЮЧЕНИЕ). СЛОЖНЫЕ МЕТОДЫ ОКРАСКИ. ОКРАСКА ПО
МЕТОДУ ГРАМА. МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД ДИАГНОСТИКИ
ВОЗБУДИТЕЛЕЙ ИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Актуальность темы: каждый микроорганизм имеет определенные морфологические
структуры и тинкториальные свойства, поэтому знание этих свойств помогает в
идентификации возбудителя. С этой целью используют сложные методы окрашивания,
которые позволяют дифференцировать одни бактерии от других и изучать структурные
особенности бактериальной клетки. Для идентификации необходимо уметь красить препараты
и различать в них различные формы основных групп микроорганизмов.
Бактериальная клетка состоит из нуклеоида; цитоплазмы, содержащая рибосомы,
включения, плазмидов; жгутиков и фимбрий; оболочек, таких как цито -плазматическая
мембрана, клеточная стенка, капсула; и других структур.
Оболочка бактерий состоит из цитоплазматической мембраны, клеточной стенки и капсулы.
Компоненты, которые встречаются в составе всех бактерий, называют постоянными. К ним
относятся нуклеоид, цитоплазма, рибосомы, мезосомы, цитоплазматическая мембрана,
клеточная стенка. Компоненты, наличие или отсутствие которых зависит от вида бактерий,
называют непостоянными. Это реснички, жгутики, капсулы, споры, включения.
Клеточная стенка - это плотная оболочка бактерий, которая находится над
цитоплазматической мембраной и имеет шаровое строение. Благодаря ее наличию бактерии
сохраняют определенную форму и являются устойчивыми к осмотическому давлению.
Клеточную стенку имеют все бактерии, за исключением микоплазм. Некоторые бактерии
имеют поверхностные структуры, которые находятся снаружи от клеточной стенки. К ним
относятся капсула, жгутики и фимбрии (пили). Толщина клеточной стенки 10 - 50 нм.
Клеточная стенка участвует в транспорте метаболитов, росте и делении бактерий, защищает
их от вредного воздействия факторов окружающей среды (высшего осмотического давления
внутри клетки, чем снаружи, механических и химических повреждений). Она имеет
рецепторы для бактериофагов, бактерюцинов и других веществ.
Основным материалом клеточной стенки является пептидогликан (муреин), присущий только
бактериям. Муреин образует гликопептидний слой, связанный с липопротеидами,
фосфолипидами и липополисахаридами. Именно пептидогликан поддерживает жесткость
клеточной структуры и позволяет бактерии выживать в среде с низким осмотическим
давлением, например, в воде. Муреин - это ригидная сложная решетчатая структура, которая
является одной ковалентно сшитой макромолекулой, которая окружает всю бактериальную
клетку. Пептидогликан содержит полисахаридный каркас, состоящий из остатков Мацетилмурамовой кислоты и М-ацетилглюкозамина, чередующиеся и связанные
гликозидными связями, и тетрапептиды, состоящие из D- и L-аминокислот, в том числе
диаминопимелиновой кислоты. Эти тетрапептиды присоединяются к молекулам Мацетилмурамовой кислоты, которые принадлежат к разным цепочекам полисахаридного
каркаса. Таким образом тетрапептиды сшивают эти цепочки через пептидные мосты в
поперечном направлении. Особенностями строения клеточных стенок бактерий является то,
что (1) в различных бактерий структуры тетрапептидов имеют отличия, (2) они содержат
сравнительно редкие D-изомеры аминокислот, хотя большинство белков содержит L-изомеры,
(3) диаминопимелинова кислота встречается только в клеточной стенке бактерий, (4) у разных
видов бактерий характер поперечных сшивок между двумя тетрапептидамы различен.
Особенности клеточной стенки грамположительных бактерий.
Мощная, толстая, несложно организована клеточная стенка, в составе которой преобладают
пептидогликан и тейхоевые кислоты, нет липополисахаридов (ЛПС), часто нет
диаминопимелиновой кислоты.
Особенности клеточной стенки грамотрицательных бактери й.
Клеточная стенка значительно тоньше, чем у грамположительных бактерий, содержащая
ЛПС, липопротеины, фосфолипиды, диаминопимелиновую кислоту. Устроена более сложно,
есть внешняя мембрана, поэтому клеточная стенка трехслойная. При обработке
грамположительных бактерий ферментами, разрушающими пептидогликан, возникают
полностью лишенные клеточной стенки структуры, протопласты. Обработка
грамотрицательных бактерий лизоцимом разрушает только слой пептидогликана, не разрушая
полностью наружную мембрану, такие структуры называют сферопластами. Протопласты и
сферопласты имеют сферическую форму (это свойство связано с осмотическим давлением и
характерно для всех без клеточных форм бактерий).
L-формы бактерий.
Под действием ряда факторов, неблагоприятно действующих на бактериальную клетку
(антибиотики, ферменты, антитела и др.), происходит L-трансформация бактерий, что
приводит к постоянной или временной потери клеточной стенки. L-трансформация является
не только формой изменчивости, но и приспособлением бактерий к неблагоприятным
условиям существования. В результате изменения антигенных свойств (потеря О- и Кантигенов), снижение вирулентности и других факторов, L-формы приобретают способность
долго находиться (персистировать) в организме хозяина, поддерживая латентный
инфекционный процесс. Потеря клеточной стенки делает L-формы нечувствительными к
антибиотикам, антителам и различным химиопрепаратам, точкой приложения которых
является бактериальная клеточная стенка. Нестабильные L-формы способны реверсировать в
классические (выходные) формы бактерий, имеют клеточную стенку. Есть также стабильные
L-формы бактерий, отсутствие клеточной стенки и неспособность реверсировать в которых в
классические формы бактерий закреплены генетически. Они по ряду признаков очень
напоминают микоплазмы и другие молекулы бактерий, у которых клеточная стенка
отсутствует как таксономический признак. Микроорганизмы, которые относятся к
микоплазмам - мельчайшие прокариоты, не имеют клеточной стенки и как все бактериальные
структуры, которые не имеют стенки, имеют сферическую форму.
Так, под влиянием различных веществ клеточная стенка может быть разрушена. Так, при
действии лизоцима на суспензии грамположительных микрококов возникает их быстрый
лизис и просветление среды. Аналогичный эффект вызывает пенициллин. Лизоцим разрывает
в муреине гликозидные связи, а пенициллин препятствует образованию пептидогликана, что
сопровождается разрушением клеточной стенки.
При этом образуются чувствительные к осмотическим условиям округлые клетки протопласты, в которых полностью утрачена клеточная стенка. Во время действия указанных
препаратов на грамотрицательные бактерии формируются клетки, которые сохраняют остатки
клеточной стенки, их называют сферопласты.
Протопласты и сферопласты относятся к субклеточным формам бактерий. Они имеют
круглую форму, высокочувствительные к осмотическим условиям среды, образуют споры,
если был инициирован процесс споруляции, но не имеют способности к размножению.
Сферопласты, в отличие от протопластов, способны адсорбировать на своей поверхности
бактериофаги и восстанавливаться в выходные формы в случае отмены действия факторов,
вызвавших их образование.
В организме человека и животных при антибиотикотерапии (пенициллин, бацитрацин,
новобиоцин) создаются условия для нарушения синтеза пептидогликана, а бактериальные
клетки, теряя свою клеточную стенку, превращаются в L-формы. Это клетки до 50 мкм в
диаметре, которые сохраняют тенденцию к превращению в выходные формы, продуцируют
токсины, гиалуронидазу. Выявлены такие формы у возбудителей
туберкулеза, бруцеллеза, брюшного тифа, гонореи и других. Они способны вызвать у
человека и животных заболевания, сопровождающиеся длительным течением. Образование
таких форм микроорганизмов считают способом переживания неблагоприятных факторов
внешней среды.
Следует отметить, что в природе существуют микроорганизмы, у которых нет клеточной
стенки. Они называются микоплазмами, последние имеют выраженные патогенные свойства являются возбудителями ряда заболеваний у человека, животных и растений.
Клеточную стенку микробов можно разрушить также щелочью, ультразвуком, механическим
методом. Обнаружить ее можно разными способами: наблюдая в электронном,
фазовоконтрастной микроскопе, при микроскопии автолизованых бактерий, применяя
специальные методы окраски (сафранином, синей викторией). В лабораторных условиях легко
исследовать наличие клеточной стенки, используя явление плазмолиза. При этом клетку
погружают в гипертонический раствор хлорида натрия или 0,2 М раствор нитрата калия. Вода
по градиенту концентрации выходит из клетки наружу, цитоплазматическая мембрана вместе
с цитоплазмой сморщиваются, отслаиваясь от стенки, которая сохраняет форму
бактериальной клетки и становится доступной для рассмотрения под микроскопом.
Именно клеточная стенка воспринимает окраску по Граму (1884), что является
таксономическим признаком бактерий.
Результат окрашенных клеток бактерий по Граму - 2 цвета:
фиолетовый цвет – грам-положительные Г (+), красный – грам-отрицательные Г (-).
Такая окраска зависит от способности клетки воспринимать или не воспринимать красители,
что в свою очередь зависит от состава клеточной стенки.
В клеточной стенке бактерий присутствуют особые вещества, которые характерны только для
прокариотов - муреин и тейхоевые кислоты.
Именно эти вещества определяют способность клеточной стенки содержать красители или не
содержать, применяемые при окраски бактериальных препаратов по Граму:
1) Если в клеточной стенке бактерии содержание муреина - 95%, он связан с
полисахаридами, и есть тейхоевые кислоты, то в ней содержится специфический цветной
комплекс «генцианвиолет - раствора Люголя», который позволяет клетке окраситься
генцианвиолетом в фиолетовый цвет - бактерия будет Грамм (+);
2) Если в клеточной стенке муреина 5-10%, он связан с липидами, а тейхоевые кислоты
отсутствуют, то красящий комплекс «генцианвиолет - йод раствора Люголя» клеточной
стенкой не удержится, растворится, и клетка окрасится фуксином в красный цвет - бактерия
будет Грамм (-).
Суть процесса окрашивания по Грамма - при окрашивании по Грамму, между
генцианвиолетом и йодом раствора Люголя всегда образуется химический комплекс, который
под действием спирта может сохраняться или разрушаться. А его сохранения или разрушения
зависят, в свою очередь, от количества муреина и наличия тейхоевых кислот в клеточной
стенке бактерий.
Цитоплазматическая мембрана есть перегородкой, отделяющая цитоплазму от клеточной
стенки бактерий и имеет толщину 5-7,5 нм. Она является жидкостно-кристаллической
системой. Ее основу составляет вязкий фосфолипидный бислой, в который погружены
молекулы интегральных белков. Обычно цитоплазматические мембраны бактерий не
содержат стеролов. Исключением является только микоплазмы. Основными функциями
цитоплазматической мембраны являются: (1) активный транспорт молекул органических
веществ (аминокислот, моносахаридов) и ионов против градиента
их концентрации с внешней среды во внутрь клетки, обеспечивающиеся ферментами
пермеазами, (2) генерирование энергии путем окислительного фосфорилирования благодаря
действию сложных полиферментный комплексов, связанных с фосфолипидами мембраны; (3)
синтез предшественников молекул, из которых состоит клеточная стенка, (4) секреция
ферментов и токсинов.
Инвагинации (вдавливания) цитоплазматической мембраны называют мезосомами. Они
играют важную роль во время размножения бактерий. Мезосомы (1) образуют поперечные
перегородки при разделении бактерий, (2) имеют участки, которые связываются с ДНК и
после репликации генома распределяют (растаскивают в результате роста мезосомальный
мембран) копии бактериальных хромосом между дочерними клетками; (3) является местом,
где локализуются дыхательные ферменты. Поэтому иногда мезосомы называют аналогами
эукариотических митохондрий. Цитоплазматическая мембрана окружает цитоплазму
бактерии.
Цитоплазма - сложная коллоидная система, содержащая различные включения
метаболического происхождения (зерна волютина, гликогена, гранулезы и др.), рибосомы и
другие элементы белоксинтезирующей системы, плазмиды (позонукдеоидну ДНК), мезосом ы
(образуются в результате инвагинации цитоплазматической мембраны в цитоплазму,
участвующих в энергетическом обмене, спорообразовании, формировании межклеточной
перегородки при делении).
Бактериальные рибосомы являются органоидами, что отвечают за синтез белков на стадии
трансляции. Различают связанные с цитоплазматической мембраной или мезосомами и
свободно расположеные рибосомы. По размеру они меньше рибосомы человека и имеют
другой состав рибосомных РНК (рРНК) и белков. Эти различия позволяют использовать для
лечения инфекционных заболеваний определенные антибиотики, которые эффективно
подавляют синтез белка в бактериальных рибосомах и имеют значительно меньшее влияние
на рибосомы еукариотов (тетрациклины, хлорамфеникол, макролиды и др.). Рибосомы
бактерий имеют диаметр около 20 нм и константу седиментации 70S, рибосомы человека 80S. Рибосомы прокариота состоят из малой и большой субъединицы, имеющих константы
седиментации 30S и 50S соответствнно. Рибосомные РНК есть очень консервативными
структурами живых существ, т.е. последовательности нуклеотидов их первичной структуры
очень мало изменяются в течении эволюции.
Нуклеоид - это часть бактериальной клетки, где находится геном в форме гаплоидной
хромосомы. Геном бактерии содержит полный набор генов, что определяют все свойства
определенного вида микроорганизма. Он состоит из одной кольцевой молекулы двунитевой
ДНК, которая имеет молекулярную массу (ММ) примерно 2х109 Да и содержит около 4000
генов. ДНК человека содержит около 100 000 генов. Нуклеоид не имеет ядерной мембраны и
гистонов. В отличие от ДНК эукариотов, бактериальная ДНК не имеет интронов, т.е. участков
генома, которые не несут информацию о структуре белка. Нуклеоид бактерий локализуется в
центральной части цитоплазмы клетки и находится в контакте с цитоплазматической
мембраной. Функциями нуклеоида является наследственность и изменчивость бактерий.
Дополнительные клеточные компоненты:
- гранулы резервных и запасных питательных веществ - накапливаются при достаточном
содержании питательных веществ, а расходуются при неблагоприятных условиях;
- метахроматин (волютин - состоит из РНК), связан белками, липидами. Это аккумулятор
энергии используется клеткой в процессе обмена веществ;
- гранулезы – крохмалеподобное вещество;
- капли жира или липидные гранулы;
- газовые вакуоли - заполненные азотом, изменяя степень наполнения бактерии, бактерия
движется снизу вверх в водоеме или капилляры почвы.
Микробиологические методы диагностики инфекционных болезней
Микроскопический
Бактериологический
Серологический
биологический
Кожно-аллергическая проба
Генно-инженерный