Морфология, ультраструктура бактерий

Бактерии – прокариоты, 1# бесхлорофильные Ò размером от 0,2 до 10 мкм. Они имеют очень низкую степень дифференциации и состоят из неструкту­рированного ядра, цитоплазмы, цитоплазматической мембраны, клеточ­ной стенки. Некоторые бактерии имеют жгутики, ворсинки, капсулы и способны образовывать эндоспоры.

Ядро. Функцию ядра выполняет циркулярно замкнутая и сильно спирализованная молекула ДНК, не отгра­ниченная мембраной – нуклеоидом (геномом или хромосома). Обычно содержится 1 нуклеоид в виде плотного тела неправильных очертаний, обнаруживается при спец обработке мазка или при электронно–микроскопических исследованиях.

Цитоплазма. Это коллоидная смесь полисахаридов, липидов, белков и других соединений. У многих видов бактерий в ней содержатся экви­валентные (идентичные) нуклеоиду небольшие циркулярно замкнутые молекулы ДНК, или плазмиды (эписомальные или интегрированные), детерминирующие образование фермен­тов, которые расщепляют многие антибиотики, сульфаниламиды и другие антимикробные вещества, но эта информация не абсолютно необходима бактериальной клетке. В цитоплазме находятся также рибосомы (70S=30+50, антибиотики блокируют синтез белка только на этих рибосомах, не затрагивая 80S) и запасные внутриклеточные вещества, например, поли–b(бета)–оксибутирата у возбудителей кишечных инфекций и зерна волютина (полифосфаты) на концах коринебактерий дифтерии. При окраске щелочным метиленовым синим по Леффлеру (3–5 мин) гранулы волютина у дифтерийных коринебактерий приобретают темно–синий, а палоч­ка – голубой цвет. При окраске по Нейссеру они окрашиваются в сине–черный, а бактерия – в желтый цвет.

Цитоплазматическая мембрана. Представляет собой обособленную от клеточной стенки и цитоплазмы полупроницаемую структуру толщиной 5–10 нм, состоящую из двойного слоя фосфолипидов, пронизанных белковыми молекулами. Она служит осмотическим барьером и главным местом метаболической активности бактерий. С нею связаны пермеазы, которые осуществляют транспорт питательных веществ, и ферменты син­теза различных классов макромолекул, в том числе основного компонента клеточной стенки – пептидогликана. При впячивании цитоплазматической мембраны внутрь клетки образуются мезосомы, которые выполняют функцию генераторов энергии и участвуют в репликации ДНК и пос­троении поперечной перегородки при делении бактерий.

Между ЦПМ и клеточной стенкой находится периплазматическое пространство, заполненное ферментами (рибонуклеазы, фосфатазы, пенициллиназы и др.), у гр«–» бактерий ферменты свободно изливаются в окружающую среду.

Клеточная стенка. Это внешняя структура бактерий толщиной 10– 35 нм, отделенная от цитоплазматической мембраны очень узким ободком периплазматического пространства. Она несет в основном формообразующую и защитную функции.

Главным компонентом клеточной стенки бактерий является особый, только им присущий гетерополимер, который называется пептидогликаном (муреин). Это вещество состоит из параллельно чередующихся полисахаридных (гликановых, состоят из дисахаридов, включающих N-ацетилглюкозамин и N-ацетилмурамовая кислоты) цепей, поперечно скрепленных пептидными связями. Пептидогликан придает клеточной стенке бактерий большую прочность и защищает их от действия осмотического давления, которое может дос­тигать внутри клетки 20–25 атм.

При действии лизоцима, пенициллина и некоторых других веществ, разрушающих пептидогликан или нарушающих его синтез, бактерии вна­чале превращаются в сферопласты, а далее, полностью утратив клеточную стенку, – в бесформенные протопласты, быстро подвергающиеся плаз­молизу. Дефектные по клеточной стенке бактерии, которые образуются в организме, обладают жизнеспособностью и патогенностью, называют L–формами в честь института Листера, где они были открыты.

Количественное содержание пептидогликана определяет характер ок­раски бактерий и других прокариот по Граму. Те из них, которые содержат в клеточной стенке большое его количество (около 90 % пептидогликана, примерно 40 слоёв), окрашиваются по Граму в сине–фиолетовый цвет и их называют грамположительными, все другие, содержащие в оболочке 5–20 % пептидо­гликана (1-2 слоя), – в розовый цвет и их называют грамотрицательными. Толщина слоя пептидогликана в клеточной стенке грамположительных бактерий в несколько раз больше, чем у грамотрицательных.

Помимо пептидогликана, в клеточной стенке грамположительных бак­терий содержатся тейхоевые кислоты, полисахариды и белки. Грамотрицательные бактерии покрыты наружной мембраной, в состав которой входят ЛПС (= липоид А + сердцевинные ПС + О-Аг (ПС, обладающий иммуногенными свойствами)) и базальные белки.

Т/же содержит аутолизины, необх для роста, разделения, образования спор.

Окраска по Граму легла в основу классификации прокариот на 4 подраздела. При этом тонкостенные бактерии раздела Gracilicutes, лишенные клеточной стенки протопласты и дефектные по клеточной стенке сферопласты, окрашиваются грамотрицательно, а тол­стостенные виды раздела Firmicutes – грамположительно.

Капсула. Это ослизненный слой клеточной стенки, состоящий из полисахаридов (стрептококк пневмонии) или полипептидов, включающих Д-глутаминовую кислоту (бацилла си­бирской язвы). Способность к образованию микрокапсулы имеется у большинства бактерий, но четко выраженную макрокапсулу формируют только пневмококк, клебсиеллы пневмонии, озены, риносклеромы и возбудитель сибирской язвы. В организме человека и животных капсула защищает патогенные бактерии от фагоцитоза и сывороточных микробоцидных веществ. На искусственных питательных средах капсула обыч­но утрачивается, исключение составляет группа клебсиелл.

Жгутики. Это органы движения бактерий. Они представляют собой вращающиеся полу­жесткие спирально изогнутые нити из белка флагеллина, который обладает способностью сокращаться. Длина жгутиков, как правило, больше самих бактерий и колеблется от 5 до 10 мкм в длину. Увидеть их в оптическом микроскопе невозможно, потому что поперечник жгу­тиков составляет не более 10–30 нм. Отходят жгутики от базальных телец, вмонтированных в цитоплазматическую мембрану и клеточную стенку бактерий.

По типу расположения и числу жгутиков бактерии делят на четыре группы: 1) монотрихи – имеют один жгутик на полюсе клетки; 2) лофотрихи – с пучком жгутиков на одном из концов палочки; 3) амфитрихи – с двумя пучками жгутиков на полюсах; 4) перитрихи – с множеством жгутиков вокруг бактерии. Жгутикование характерно, нап­ример, для кишечных бактерий, столбняка и ботулизма (перитрихи), холерного вибриона (монотрих), возбудителей содоку – болезни кры­синого укуса (амфитрихи), щелочеобразователя (лофотрихи).

Под иммерсионным микроскопом жгутики можно увидеть лишь после специальных методов их протравливания и импрегнации солями серебра или ртути; пучки их на полюсах у живых бактерий – мультитрихов срав­нительно легко обнаруживаются в фазово–контрастном микроскопе.

Ворсинки (реснички, пили). Это субмикроскопические нитевидные образования белковой природы длиной 0,3–1 мкм и шириной 10 нм, покрывающие тело некоторых энтеробактерий. Они полифункциональ­ны: обусловливают трансмиссивную передачу генов (конъюгацию), яв­ляются рецепторами для бактериальных РНК–вирусов (фагов), органом прикрепления бактерий к питательному субстрату.

Эндоспора. Особая форма существования или стадия развития отдель­ных видов бактерий в неблагоприятных условиях. У патогенных бактерий спорообразование происходит вне организма, например в конце развития культуры на искусственных питательных средах, когда в них накапли­ваются вредные продукты метаболизма, или же в окружающей среде, куда они попадают с выделениями человека и животных.

Формирование эндоспоры начинается с деления нуклеоида, уплотне­ния и обособления определенного участка цитоплазмы вегетативной клет­ки, а заканчивается образованием внутри бактерии круглого или оваль­ного тельца, покрытого плотной многослойной оболочкой, пропитанной большим количеством липидов, кальция, дипиколиновой кислоты. После полного созревания споры материнская бактерия лизируется, но если сохраняется, то внутри нее спора четко контурируется, напоминая блес­тящее зерно. Среди патогенных бактерий споры формируют только круп­ные палочки. По отношению к их длине у разных видов бактерий споры располагаются в центре, субтерминально или терминально. Ес­ли размер споры меньше поперечника палочки, то она имеет цилиндрическую форму и называется бациллой, а если больше, то бактерии вздуваются и становятся веретенообразными – клостридиями. Патогенной бациллой является возбудитель сибирской язвы.

Спора у нее круглая, находится в центре палочки. Клостридии анаэробной инфекции имеют типичную форму веретена, клостридии ботулизма с эллипсоидной спорой напоминают теннисные ракетки, а клостридии стол­бняка с круглой спорой – барабанную палочку.

Эндоспоры бактерий выдерживают дли­тельное кипячение, действие горячего возду­ха (140–150°С) и химических дезинфици­рующих веществ, многие годы сохраняются в почве, на растительности и предметах. По­падая в организм человека и животных, спо­ры патогенных бактерий прорастают в мате­ринские клетки за несколько часов.

Водным фуксином, водно–спиртовым метиленовым синим и по Граму эндоспоры не окрашиваются, так как их плотная много­слойная оболочка непроницаема для обыч­ных красителей. В мазках из патологических материалов, культур бацилл и клостридии, окрашенных простыми красителями, споры выглядят в виде бесцветных телец внутри окрашенных в соответствующий цвет вегетативных клеток или вне их. Окрашивать их можно по методу Циля–Нельсена, используя для обес­цвечивания мазков после обработки их фуксином Пиля не 5 %, а 1 % серную кислоту. При этом эндоспоры, так же как микобактерии тубер­кулеза, красятся в розовый цвет и будут хорошо видны на синем фоне бактерий. Чаще для окрашивания спор используют специальные методы по Пешкову или Шефферу–Фультону.

Морфологические и тинкториальные свойства бактерий. Описание бактерий проводится по определенной схеме. Прежде всего отмечают форму, размер и характер их расположения в мазке, а затем основные структурные особенности вида – жгутикование, образование капсул и спор, наличие включений и наконец тинкториальные свойства, или спо­собность окрашиваться.

По внешнему виду различают шаровидные, палочковидные, извитые и нитевидные формы бактерий, а по тинкториальным свойствам –грамположительные и грамотрицательные.

Шаровидные бактерии называются кокка­ми (греч. kokkos – зерно). Средний диаметр патогенных кокков около 1 мкм. В зависимости от их расположения в мазке, что определяется характером деления клеток, патогенные кокки подразделяют на диплококки (греч. diploos – двойной), стрептококки (греч. streptos – ви­той, цепочечный) и стафилококки (греч. staphyle – виноградная кисть). Диплококки и стрептококки делятся в одной плоскости, но остаются соединенными цитоплазматическими мостиками. Стафилококки делятся в двух плоскостях и образуют скопления клеток, на­поминающие грозди.

Непатогенные кокки располагаются беспо­рядочно (микрококки), тетрадами и пакетами по 8–16 особей (сарцины). При этом тетракокки и сарцины делятся в двух–трех плоскостях.

Патогенные кокки могут быть круглыми (стафилококки), овальными (стрептококки), бобовидными (диплококки). Непатогенные тетракокки, сарцины и микрококки имеют округлую форму.

Спор и жгутиков патогенные кокки не об­разуют. Капсулы имеют только некоторые стрептококки, в частности пневмококк. Ста­филококки и стрептококки – грамположительные, а диплококки – грамотрицательные.

Палочковидные бактерии тоже весьма раз­нообразны по форме. Среди них встречаются прямые, изогнутые и даже вет­вистые формы (микобактерии туберкулеза). Большинство патогенных палочковидных бак­терий имеют овоидную форму. Исключение составляют цилиндрические бациллы сибирской язвы, веретенообразные клостридии, булавовидные коринебактерии (греч. coryne – булава), игольчатые и зернистые микобактерии туберкулеза.

Длина наименьших коккобактерий колеб­лется от 0,2 до 1,5 мкм, а самых больших – бацилл и клостридии – от 5 до 10 мкм.

Обычно палочковидные бактерии имеют однообразное гомогенное строение, однако встречаются зернистые варианты (микобактерии).

Располагаются палочки, как правило, беспорядочно, попарно в длину (капсульные клебсиеллы), параллельно (микобактерии), под углом, об­разуя фигуры в виде Х или V (коринебактерии дифтерии), а некоторые – цепями (возбудители сибирской язвы).

Многие виды патогенных палочковидных бактерий имеют жгутики и капсулы. Споры образуют бациллы и клостридии. Коккобактерии, ис­тинные палочки, длиной 1,5–3 мкм и шириной 0,3–0,4 мкм, окраши­ваются грамотрицательно. Бациллы, клостридии, коринебактерии, мико­бактерии, размеры которых больше средних палочек, грамположительны.

Извитыми бактериями являются спириллы и спирохеты (>1 витка), вибрионы (< 1 витка).