Пили необходимы бактериям для. Значение пилей в жизни бактерий. Обнаружение бифидобактерий производится на

Лекция №2

Цитология микроорганизмов. Строение клеточной стенки. Капсула. Органы движения. Пили. Ворсинки. Жгутики. Включения. Споры.

Клеточная стенка (КС) важный и обязательный элемент для большинства прокариотных клеток. По строению и химическому составу КС прокариот резко отличаются от таковой эукариотных организмов. В её состав входят специфические полимерные комплексы, которые не содержатся в других клеточных структурах. В зависимости от строения КС прокариот, относящиеся к эубактериям, делятся на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные и не имеющие клеточной стенки.

КС грамположительных бактерий содержат в качестве основных компонентов три типа макромолекул: пептидогликаны, тейхоевые кислоты, липотейхоевые кислоты. КС грамотрицательных эубактерий намного сложнее, в ее состав входит большое число макромолекул разного химического типа. У грамотрицательных бактерий обнаружен дополнительный внешний слой – наружная клеточная мембрана. Пространство между цитоплазматической и наружной мембранами получило название – периплазматического.

Строение пептидогликана

Под действием пенициллина из г+бактерий образуется протопласт, не несущий оболочки, а из грам-бактерий – сферопласт, имеющий остатки оболочки на поверхности клетки. Клетки, утерявшие КС в результате мутации или разрушающего воздействия, называются L-формами и могут существовать только в изотонических растворах.

Методы определения строения клеточной стенки.

1. Окраска по Граму. При окрашивании клеток генцианвиолетом (кристаллфиолетовым) и последующем докрашивании раствором люголя (J в KJ), в КС образуется комлпекс пептидогликан+йод+генцианвиолет, который затем обесцвечивают спиртом. У грам отрицательных мо, т. к. у них слой ПГ тонкий весь окрашенный комплекс вымывается из клеточной стенки и они становятся бесцветными. У грам положительных комплекс остается связанным в толстом слое пептидогликана. В итоге после первого окрашивания – грамплюс – синие, грам – прозрачные. 2 этап окраски по Граму – этап докрашивания фуксином. После второго этапаграм= остаются синими, а грам минус становятся красными.

2. КОН-тест . В основе метода лежит способность КС грамположительных микроорганизмов сохранять целостность при воздействии гидроокиси калия, тогда как КС грамотрицательных бактерий при этом разрушается. Постановка пробы с КОН предусматривает суспендирование петли суточной агаровой культуры в капле 3% раствора КОН на предметном стекле. При «+» реакции, свойственной грамотрицательным микроорганизмом, жидкость в капле становиться вязко, нити слизи тянутся за петлей на 0,5-2 см. образование слизистой консистенции связывают с выходом из клетки ДНК, являющейся вязким компонентом.

У архебактерий КС резко отличается от КС эубактерий. КС метанобразующих архебактерий содержат пептидогликан особого химического строения. У других представителей этой группы КС состоит исключительно из кислого гетерополисахарида, а у некоторых экстремально галофильных, метанобразующих и ацидотермофильных архебактерий – только из белка. Архебактерии с КС белковой природы. Архебактерии с КС белковой природы не отращиваются по Граму, остальные типы архебактериальной КС дают грамположительную реакцию.

Поверхностные структуры бактериальной клетки .

В результате биосинтеза органических полимеров некоторыми прокариотами вокруг их клетки откладывается слизистое вещество. Такие образования в зависимости от структурных особенностей получили название капсул, слизистых слоев или чехлов.

Под капсулой понимают слизистое образование, обволакивающее клетку, имеющее аморфное строение и сохраняющей связь с клеточной стенкой. О микрокапсуле говорят, когда ее толщина меньше 0,2 мкм и она может быть обнаружена только с помощью электронного микроскопа. Если ее толщина образования больше 0,2 мкм, говорят о макрокапсуле. Ее можно обнаружить при обычной световой микроскопии. Капсулы на 98% состоят из воды и плохо воспринимают красители, поэтому для их выявления удобнее использовать специальные методы окраски. При этом часто используется негативная окраска, при которой окрашивается не сам объект, а фон вокруг него. Для этого используется тушь или нигрозин. Эти красители не проникают в микроорганизмы, которые остаются не окрашенными и выделяются виде светлых зон на темном поле. Этот способ для выявления капсул предложил использовать Бурри. Гинс добавил к этому методу докраску микроорганизмов фуксином. Таким образом, классическим методом выявления капсул является способ окраски по Бурри-Гинсу, хотя существуют и другие методы.

Если слизистое вещество, синтезируемое бактериями, имеет аморфный, бесструктурный вид и легко отделяется от поверхности клетки, говорят о слизистых слоях.

В отличие от капсул чехлы имеют тонкую структуру. Часто в них обнаруживают несколько слоев с разным строением. Чехлы ряда бактерий, метаболизм которых связан с окислением восстановленных соединений металлов, часто инкрустированы их окислами.

Между этими структурами у прокариот обнаружено много переходных форм, так что иногда нельзя четко отграничивать капсулу от слизистых клеточных выделений или капсулу от чехла.

Наличие капсулы зависит от питания микроорганизма и условий его культивирования.

Капсулы, слизистые образования и чехлы могут содержать компоненты, одинаковые с клеточной стенкой, однако их химические свойства не идентичны. Как правило, химический состав капсул, образуемых бактериями, родо- или гомо - или гетерополимерной природы. Исключение составляет капсула некоторых видов Bacillus, построенная из полипептида, являющегося полимером D-глутаминовой кислоты. Для ряда бактерий показана способность синтезировать и выделять в окружающую среду волокна целлюлозы. Чехлы как более сложные структуры имеют обычно и более сложный состав.

Хотя слизистые образования являются и необязательными структурами прокариотической клетки, они выполняют весьма полезные функции. Они защищают клетку от механических повреждений, высыхания, создают дополнительный осмотический барьер, барьер для проникновения фагов. Иногда слизистые образования могут служить источником запасных питательных веществ. С помощью слизи осуществляется связь между соседними клетками в колонии, а также прикрепление клеток к различным поверхностям. В медицинской микробиологии образование капсул рассматривают как признак вирулентности некоторых патогенных микроорганизмов, таких, как возбудители коклюш, гонореи, менингита, сибирской язвы и других заболеваний. Капсулы позволяют этим микроорганизмам противостоят защитным действиям инфицированного организма, они защищают бактерии от действия вне - и внутриклеточных продуктов фагоцитов и препятствуют поглощению бактерий. Кроме того, капсула облегчает адгезию к эпителию, проявляет активность. А это подразумевает низкую эффективность защиты со стороны макроорганизма. Несмотря на слабую иммуногенность, капсулы являются антигенами , в ответ, на которые вырабатываются специфические антитела . Капсульный антиген или специфические антитела к капсульному антигену используют в диагностики инфекционных заболеваний. Например, реакция Нойфельда используется для идентификации выделенной капсульной культуры (Streptococcus pneumoniae). Эта реакция подразумевает набухание капсулы микроорганизмов в присутствие специфических агглютинирующих антител.

Кроме слизистых образований к поверхностным структурам относятся пили, клеточные выросты.

Пили. У многих бактерий находят ворсинки (фимбрии, пили).Пили – это нитеобразные полимерные органеллы белковой природы, локализованные на поверхности клеток. Размер пилей варьирует от долей микрометров до более 20 мкм в длину и от 2 до 11 нм в диаметре. Пили состоят из одного или нескольких типов белковых субъединиц, называемых пилины, которые обычно организованы в спиральные структуры. по рхитектуре это могут быть толстые прочные палочковидные образования, тонкие нитевидные, и есть еще так называемые кудряшки, еще более тонкие, которые имеют тенденцию сваливаться в пушистую липкую массу на поверхности бактерий и ответственны за агрегацию клеток. Функции пилей: отвечают за адаптацию, выживаемость, распространение, адгезию, коньюгацию, сигнальное общение.

Основными структурами, определяющими способность клетки к движению в жидкой среде, являются жгутики.

Жгутики могут располагаться полярно и латерально. В зависимости от числа жгутиков и их локализации различают:

Монополярный монотрих (один жгутик прикреплен к одному полюсу клетки);

Монополярный политрих (пучок жгутиков расположен на одном полюсе);

Биполярный политрих, амфитрих (пучки жгутиков расположены на двух полюсах);

Перитрих (многочисленные жгутики расположены по всей поверхности клетки).

Жгутик представляет собой жесткую спираль, обычно закрученную против часовой стрелки. Имеет три основные части:

1. Фибрилла

3. Базальное тело

Фибрилла длинная спиральная нить составляет основную часть жгутика. У большинства прокариот нить состоит только из одного типа белка – флагеллина. Белковые субъединицы уложены в виде спирали, внутри которой проходит полый канал. Наращивание жгутика происходит с дистального конца, куда субъединицы поступают по внутреннему каналу. У некоторых видов жгутик снаружи покрыт чехлом особого химического строения или же являющимся продолжением клеточной стенки и, вероятно, построенным из того же материала.

Крюк состоит из белка, отличающегося от флагеллина, и служит для обеспечения гибкого соединения нити с базальным телом.

Базальное тело содержит 9-12 различных белков и представляет собой систему из двух или четырех колец, нанизанных на стержень, являющейся продолжительностью крюка. Внутренние кольца (M и S) обязательны для бактерий, наружные кольца (Р и L) имеются только у грамотрицательных эубактерий. М-кольцо локализовано в ЦПМ, S-кольцо располагается в периплазматическом пространстве грамотрицательных бактерий или в пептидогликановом мешке грамположительных бактерий. Кольцо Р располагается в пептидогликановом слое, а L-кольцо – в наружной мембране. Таким образом, подвижность бактерий зависит от интактности клеточной стенки.

У спирохет описана необычная локализация структур, ответственных за движение. Спирохеты имеют наружный чехол – трехслойная структура, аналогичная наружной мембране способность реагировать на изменение вязкости раствора. За чувствительность бактерий к градиентам определенных факторов ответственны специфические рецепторы.

Существует несколько способов выявления подвижности:

1. Непосредственная микроскопия живых неокрашенных микроорганизмов. Для наблюдения нужно приготовить препарат «висячая» капля. При микроскопии важно отличать броуновское движение от активного движения, обусловленного жгутиками.

2. Посев по Шукевичу подразумевает активное передвижение подвижных бактерий в верхнюю часть скошенного агара из нижней, куда производится посев.

3. Посев уколом в специальную индикаторную среду для определения подвижности – самый распространенный и удобный способ.

4. Окрашивание жгутиков производят в исследовательских целях. Существует несколько способов окраски жгутиков, но все они основаны на одном принципе: за счет красителей и протрав увеличить поперечный размер жгутиков, при этом ранее не видимые из-за своей малой толщины нить, становиться видимой.

Обязательным структурным элементом каждой клетки является плазматическая мембрана. По химическому составу и строению мембраны прокариот похожи на другие биологические мембраны. У некоторых архебактерий мембранные липиды, в состав которых входит С40-спирт, формируют монослойную мембрану, по толщине равной бислойной. Монослойные липидные мембраны обладают большой жесткостью сравнительно с бислойной. При «биологических» температурах мембранные липиды находятся в жидкосно-кристаллическом состоянии, характеризующимся частичной упорядочностью. При понижение температуры они переходят в квазикристалическое состояние. «Жидкая» структура мембран обеспечивает определенную свободу молекул белков, что является необходимым для осуществления процессов транспорта электронов и веществ через мембрану. Это же свойство обуславливает высокую эластичность мембран: они легко сливаются друг с другом, растягиваются и сжимаются.

В зависимости от расположения в мембране и характера связи с липидным слоем мембранные белки условно можно разделить на три группы: интегральные, периферические и поверхностные. Предложено несколько моделей строения мембраны. Наибольшее признание получила модель, согласно которой в липидную основу включены асимметрично расположенные белковые молекулы.

Отсутствие у прокариот типичных органелл, т. е. структур, полностью ограниченных от цитоплазмы элементарными мембранами, - принципеальная особенность их клеточной организации. В клетках разных групп прокариот обнаруженны мембраны, построенные по принципу элементарной, но отличные от ЦПМ. Среди внутрицитоплазматических мембран выделяют несколько видов. Развитая система внутрицитоплазматических мембран характерна для большинства фотосинтезирующих эубактерий. Поскольку в этих мембранах локализован фотосинтетический аппарат клетки, они получили общее название фотосинтетических. Они являются производными ЦПМ, возникшими в результате ее разрастания и инвагинации в цитоплазму. внутрицитоплазматические мембраны фотосинтезирующих эубактерий могут иметь вид трубочек, пузырьков (везикул, хроматофоров) или уплощенных замкнутых дисков (тилакоидов), образованных двумя тесно сближенными мембранными пластинами (ламеллами). Морфология и степень развития фотосинтетических мембран определяются многими факторами внешней среды и возрастными характеристиками культуры.

У прокариот описаны локальные впячивания ЦПМ, получившие названия мезосом. Хорошо развитые и сложноорганизованные мезосомы характерны для грамположительных бактерий. У грамотрицательных видов они встречаются значительно реже и относительно просто организованы. Выделяют три основных типа мезосом: ламелярные (пластинчатые), везикулярные (имеющие форму пузырьков) и тубулярные (трубчатые); можно наблюдать мезосомы смешанного типа.

Сильно развитая система внутрицитоплазматических мембран, морфологически отличающихся от мезосомальных, описана у представителей трех групп грамположительных хемотрофных эубактерий (азотофиксирующих , нитрофицирующих и метаноокисляющих), для которых показана высокая активность дыхания, а также способность метаболизировать растворенные в жидкой среде газообразные соединения.

Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, называется цитоплазмой. Цитоплазма включает в себя цитозоль и разнообразные структурные элементы: внутрицитоплазматические мембраны, генетический аппарат, рибосомы и включения.

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S. они построены из двух неодинаковых субчастиц: 30S - и 50S- субчастиц.

Синтез белка осуществляется агрегатами, состоящими из рибосом, молекул информационной и транспортной РНК и называемыми полирибосомами или полисомами. Последние могут находиться в циптоплазме или же быть связанными с мембранными структурами.

Генетический аппарат прокариот представлен нуклеоидом , не отделенным от цитоплазмы мембраной. Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК имеющей форму ковалентно замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы, которая имеет суперспирализованную организацию. У некоторых прокариот существуют внехромосомные факторы наследственности – плазмиды.

Обнаружить нуклеоид при помощи светового микроскопа трудно. Основные красители, избирательно окрашивающие хроматин ядер эукариотов, равномерно и интенсивно окрашивают всю прокариотическую клетку. Поэтому перед окраской фиксированный мазок обрабатывают рибонуклеазой или разбавленой соляной кислотой, чтобы разрушить рибосомальную РНК. Последующее окрашивание основным красителем, позволяет выявить нуклеоид в виде плотных тел с неправильными очертаниями, расположенных в центре или на полюсах клетки.

В цитоплазме прокариот обнаруживаются различные включения. Одни из них следует рассматривать как активно функционирующие структуры, другие – как продукты клеточного метаболизма, не выделяющиеся наружу, но откладывающиеся внутри клетки. Некоторые цитоплазматические включения имеют приспособительное значение. многие из них являются запасными веществами, отложение которых происходит в условиях избытка питательных веществ в окружающей среде, а потребление наблюдается, когда организм попадает условия голодания.

К числу включений, выполняющих определенную функции в фотосинтезе, относятся хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы. цианобактерий. В этих структурах локализованы пигменты, поглощающие кванты света и передающие их в реакционные центры, т. е. выполняют роль антенны. Хлоросомы имеют форму продолговатых пузырьков, окруженных однослойной мембраной, построенной только из белка. Они располагаются в непосредственной близости от ЦПМ, плотно к ней примыкая. В хлоросомах локализованы бактериохлорофиллы. Водорастворимые пигменты белковой природы (фикобилипротеины) цианобактерии содержаться в особых структурах – фикобилисомах, расположенных в правильном порядке на внешних поверхностях фотосинтетических мембран. В клетках некоторых прокариот из группы фототрофных и хемотрофных эубактерий содержаться структуры, имеющие форму многогранника, получившие названия карбоксисом , или полиэдральных тел. Карбоксисомы заполнены гранулярным содержимым и окружены однослойной мембраной белковой природы; состоят они из частиц рибулозодифосфаткарбоксилазы, фермента, катализирующего фиксацию СО2 на рибулозодифосфате. Примером внутрицитоплазматических включений, имеющих приспособительное значение, служат магнитосомы и газовые вакуоли , или аэросомы , обнаруженные у водных прокариот. Газовые вакуоли – сложно организованные структуры, напоминающие пчелиные соты. Состоят из множества регулярно расположенных газовых пузырьков, имеющих форму вытянутого цилиндра с заостренными концами. Каждый пузырек окружен однослойной белковой мембраной и заполнен газом, состав которого идентичен таковому окружающей среды. основная функция газовых вакуолей состоит в обеспечении плавучести водных организмов, которые с их помощью могут регулировать глубину.

Запасные вещества прокариот представлены полисахаридами, липидами, полипептидами, полифосфатами, отложениями серы (см. таблицу).

В практической деятельности чаще выявляют включения запасных веществ. Гранулы углеводной природы (полисахариды) выявляют при обработке клеток раствором Люголя. Для этого к капле суспензии исследуемых клеток на предметном стекле добавляют каплю раствора Люголя, препарат накрывают покровным стеклом и микроскопируют. Гранулы крахмалоподобных веществ (гранулезы) окрашиваются в синий цвет. Гранулы гликогеноподобных веществ – в красно-коричневый цвет.

Липидные гранулы у дрожжей и мицелиальных грибов представлены нейтральными жирами, которые легко обнаруживаются и без окраски в виде сильно преломляющих свет гранул. У бактерий липиды представлены чаще поли-β-оксимасляной кислотой, для выявления этих гранул используют окраску липофильными красителями: суданом III или суданом черным.

Включения серы накапливают аэробные тионовые бактерии, окисляющие сероводород, и анаэробные фотосинтезирующие бактерии, для которых сера является донором электронов. Включения серы заметны без специального окрашивания, так как сильно преломляют свет. Они растворяются при обработке абсолютным спиртом, сероуглеродом и ледяной уксусной кислотой.

Белковые (параспоральные) включения образует Bacillus thuringiensis в тот же период, что и споры. Эти включения состоят из белков-токсинов беспозвоночных животных и бактерий. В их состав могут входить и цитолитические токсины. Включенияимеют форму бипирамид, ромбов, пластинок-параллелепипедов, неправильных глыбок, поэтому их называют параспоральными кристаллами. Их окрашивают с помощью красителей, хорошо связывающихся с белками, например амидошварцем или анилиновым черным для шерсти.

Зерна волютина (полифосфатные, метахроматидные гранулы) впервые были обнаружены у Spirillum volutans. Эти гранулы накапливаются в клетках коринебактерий и дрожжеподобных грибов.

Наряду со жгутиками прокариоты могут обладать и другими внеклеточными образованиями. В середине ХХ века было установлено, что бактерии способны формировать специфическую группу поверхностных образований. Их называли ворсинками, ресничками, фимбриями. Сегодня их называют пилями бактерий.

Внешне пили, или фимбрии, как их называли до 1956 г., выглядят как микроскопические волоски, покрывающие клетку бактерии. На 1 клетку прокариота может приходиться от нескольких единиц до тысяч ворсинок.

Хотя они, как и жгутики, являются поверхностными образованиями, однако между собой имеют больше различий, чем сходств.

По размеру пили намного меньше жгутиков, в среднем в 3 раза тоньше (не более 10 нм), и длиной не превышают 1,5 мкм.

По строению, несмотря на то, что как пили, так и жгутики состоят из белковых клеток, они также различаются:

пили, или фимбрии, представляют собой легкую цепочку проводящих белков цилиндрической формы, отходящую от поверхностного слоя клетки;
жгутики являются более громоздкими по строению, с наличием сложных структур (стержень, базальное тело, кольца и другое).

Столь явное различие в строении поверхностных образований прокариотов связано с совершенно разными задачами, которые они решают в процессе жизнедеятельности бактериальной клетки.

Для чего прокариотам пили

К примеру, если жгутики бактерий обеспечивают возможность передвигаться, то фимбрии не имеют никакого отношения к перемещению в пространстве и присутствуют как у движущихся, так и у неподвижных бактерий.

В отличие от жгутиков функции пилей бактерий изучены достаточно слабо, но совершенно очевидно, что одной из них является способность обеспечить прикрепление клетки бактерии к питательному субстрату.

Разные типы ворсинок

Пили не являются однородными образованиями, их различают как минимум 4 типа, каждый из которых выполняет свои функции, причем одна клетка может являться носителем несколько разных типов фимбрий.

Пили 1 типа

Фимбрии бактерий 1 типа образуются из пилина (белок) и отличаются крайне прочной связью с прокариотом. Чтобы отделить такую фимбрию от бактериальной клетки, требуются усилия, многократно превышающие необходимое воздействие для отделения половых пилей или жгутиков.

Для пилей 1 типа характерно расположение перитрихиально – по всей поверхности бактерии.

Исследования методами выявления свойств показали, что пили 1 типа являются химически устойчивыми образованиями – они инертны к растворам щелочей, мочевине и трипсину (фермент, расщепляющий белки).

Разрушаются пили 1 типа при кипячении в растворах с высокой кислотностью, при этом методе воздействия происходит необратимое разрушение (денатурация) белка, образующего фимбрию.

Характерной особенностью пилей 1 типа является:

способность образовывать пленки и придавать бактериям гидрофобные свойства;
способность вызывать агглютинацию эритроцитов (выпадение в осадок в результате склеивания) под действием агглютининов.

Органоиды бактерий

Основными функциями являются:

адгезивная – прикрепление бактерий к субстратам;
защитная – объединение клеток прокариотов, получивших гидрофобные свойства, в группы;
участие в процессах метаболизма клетки – увеличение всасывающей поверхности.

Ворсинки 2 типа

Эта группа имеет очень много общего с предыдущей, однако не обладает характерными особенностями 1 типа – пили не участвуют в формировании пленок и не приклеиваются к эритроцитам (агглютинация), провоцируя выпадение их в осадок.

Столь близкое сходство позволяет предположить, что пили 2 типа являются мутантной формой 1 типа.

Половые фимбрии (3 тип)

Современные методы выявления позволили определить, что при горизонтальном переносе генетического материала (конъюгации) ключевую роль играют половые пили.

Возможность непосредственного контакта двух бактериальных клеток с последующей конъюгацией была выявлена в 50-х годах прошлого века в результате исследований двух американских биохимиков – Д.Ледербейга и Э.Тейтема. Данный процесс имеет большое практическое значение, так как позволяет производить обмен наследственными признаками организмам, размножающимся только прямым делением.

Половые фимбрии, их называют F-пили, присутствуют только у бактериальных штаммов, обладающих фактором трансмиссивности – это может быть автономный репликон или его часть.

F-пили представляют собой цилиндрические белковые образования большего диаметра, чем пили 1 или 2 типа, расположенные перпендикулярно к поверхности.

Формирование пиля осуществляется на поверхности цитоплазматической мембраны в точках контакта ее с вешней оболочкой. Сформированная трубочка проходит сквозь слои муреина и внешнюю мембрану.

В случае потери F-пили восстанавливаются – в течение 30 секунд пиль достигает половины своей величины. Для формирования полноценной трубочки необходимо от 4 до 5 минут.

Современные методы выявления позволили определить, что на поверхности бактерии F-пили сохраняются в течение 5 минут, после чего сбрасываются, и процесс повторяется.

F-пили значительно отличаются от ворсинок 1 и 2 типа как по строению, так и по свойствам.

В отличие от последних F-пили легко отделяются от бактериальной клетки даже при незначительном встряхивании.

Методами физико-химического анализа было определено, что в составе F-пили отсутствует целый ряд α-аминокислот, характерных для белка пилей 1 типа, но через ковалентную связь присоединены остаток D-глюкозы и две фосфатные группы.

В связи с иной химической структурой на F-пили не адсорбируются обычные фаги, а только специфичные для них, называемые мужскими фагами.

Участие F-пили в процессе передачи информации

Процесс передачи части генетической информации подразумевает наличие пары клетка-донор и клетка-реципиент.

Первоначально клетка-донор формирует F-пиль.
F-пиль донора фиксируется на клетке-реципиенте.
В F-плазмиде донорной клетки осуществляется разрыв одной нити ДНК, которая передается реципиенту.
Обе бактерии достраивают вторую цепочку ДНК и восстанавливают F- плазмиду. Клетка-реципиент превращается в донора.

Микроскопические методы исследований позволили определить, что образование F-пилей характерно только для растущих и активных клеток, при переходе в стационарную фазу роста бактерии теряют свою способность образовывать половые пили и становятся плохими донорами.

Специфическая направленность фимбрий 4 типа

Пили 4 типа принимают участие в обеспечении разновидности скользящего движения бактерий всей колонией.

Сам процесс скольжения с участием пилей 4 группы предполагает наличие 2 систем движения:

А-система — секретирует слизь на полюсе направления движения микроорганизма.
S-система – роение; обеспечивается последовательным сокращением и удлинением пилей 4 типа, подобное подтягиванию.

Механизм данного вида бактериального движения на сегодняшний день находится в процессе изучения, и большинство выводов носят предположительный характер.

Пили типа 1

Пили типа 1 прочно связаны с клеткой, и для того, чтобы отсоединить их от неё, нужны значительные усилия, большие, нежели для удаления жгутиков или половых пилей. Пили данного типа также устойчивы и к химическим воздействиям - сохраняются в 6 М мочевине , 1 М NаОН , устойчивы к додецилсульфату натрия и трипсину . Эти пили разрушаются только при кипячении в растворе с низким значением , что вызывает необратимую денатурацию белка . Белок , образующий пили общего типа 1, имеет молекулярную массу 17 кДа .

Пили типа 1 располагаются перитрихиально, то есть по всей поверхности бактерии. У одной клетки может быть 50-400 пилей длиной до 1,5 мкм. Диаметр этих пилей около 7 нм, а отверстия - 2,0-2,5 нм.

Формирование пилей общего типа 1 определяется генами , расположенными в хромосоме . Их активность подвержена фазовым вариациям, то есть ген может быть активен либо нет. Обычно в культуре присутствуют как клетки, имеющие много пилей общего типа 1, так и лишенные их. Клетки, находящиеся в той или иной фазе, могут быть легко выведены. Размножению клеток, лишенных пилей, способствует выращивание культуры на агаре , тогда как клетки с пилями получают преимущество при выращивании культуры в жидкой среде без аэрации. При этом они образуют пленку. Пили типа 1 придают бактериям гидрофобность , снижают их электрофоретическую подвижность. Они вызывают агглютинацию эритроцитов за счет того, что такие бактерии приклеиваются к эритроцитам (так же, как к другим клеткам животных), а также к клеткам растений и грибов , к неорганическим частицам. В присутствии маннозы нарушается гемагглютинация и прикрепление бактерий к животным клеткам вообще, поскольку пили типа 1 прикрепляются к поверхностным рецепторам , содержащим маннозу . В присутствии маннозы соответствующие участки пилей заняты её молекулами . Адгезивность пилей зависит также от гидрофобности образующего их белка пилина. С маннозными рецепторами реагируют участки пилей, расположенные по всей их поверхности, тогда как за гидрофобные взаимодействия ответственны окончания пилей.

Пили типа 2

Пили типа 2 сходны с пилями 1-го типа, но не вызывают агглютинации эритроцитов, не способствуют образованию бактериями пленки в жидкой среде. Антигенно они близки к пилям 1-го типа и, по-видимому, представляют собой их мутантную форму. Описан и еще ряд вариантов пилей, близких к пилям 1-го типа. Связи пилей общего типа 1 с патогенностью у штаммов Е. coli не удается обнаружить. У энтеропатогенных штаммов обычно образуются другие пили, кодируемые плазмидными генами. Известно несколько типов таких пилей, причем обнаруживается связь типа пилей со специфичностью бактерий в отношении тех или иных животных.

Другие типы пилей

Пили, известные как антигены К88 и К99, тоньше и лабильнее пилей 1-го типа. Они вызывают гемагглютинацию, устойчивую к маннозе, и способствуют прикреплению бактерий к клеткам кишечного эпителия животных, но не человека . Пили 987Р определяют способность Е. соli прикрепляться к эпителию тонкого кишечника новорожденных свиней ; морфологически они похожи на пили 1-го типа. Пили, определяемые генетическим фактором СFА/1, вызывают агглютинацию человеческих эритроцитов и найдены у патогенных для человека штаммов. Молекулярная масса белков пилинов, кодируемых плазмидными генами, 14,5-26,2 кДа. У энтеропатогенных штаммов Е. соli пили являются одним из факторов патогенности, обеспечивающим им возможность прикрепления к клеткам кишечного эпителия. Колонизация бактериями эпителия способствует эффективному взаимодействию выделяемого ими энтеротоксина с клетками эпителия. В результате происходит нарушение водного обмена ткани, что клинически проявляется как диарея . При этом бактерии энергично размножаются в тонком кишечнике , а затем в большом количестве выносятся в окружающую среду, что способствует их распространению.

Половые пили

Половые пили Е. соli образуются у клеток донорских штаммов, отличающихся от изогенных реципиентных наличием у клеток особого генетического детерминанта - полового фактора, или фактора трансмиссивности, который либо является автономным репликоном (F-фактор), либо входит в состав автономного репликона, либо интегрирован с бактериальной хромосомой. Фактор трансмиссивности находится в составе плазмид - факторов множественной устойчивости к антибиотикам (R-факторы), факторов колициногенности и ряда других плазмид. Половые пили отличаются от пилей общего типа по строению и антигенной специфичности, пили, кодируемые различными генетическими детерминантами, также различны.

Половые F-пили, определяемые F-факторами, представляют собой белковые цилиндры, перпендикулярные поверхности клетки, толщиной 8,5-9,5 нм и длиной до 1,1 мкм. Они легко могут быть отделены от клетки при встряхивании бактериальной массы. F-пили образованы белком с молекулярной массой 11,8 кДа. В составе F-пилина отсутствуют пролин , цистеин , гистидин , аргинин . К молекуле пилина присоединены две фосфатные группы и остаток D-глюкозы , связанные с белком ковалентными связями . Пилин содержит довольно много кислых и гидрофобных аминокислот . Он синтезируется на рибосомах , связанных с цитоплазматической мембраной и в цитоплазме не обнаруживается. Пул пилина, видимо, накапливается в цитоплазматической мембране. Его молекулы в процессе синтеза содержат дополнительную сигнальную последовательность аминокислот , отщепляющуюся при транспорте через мембрану. F-пили легко диссоциируют в растворах додецилсульфата натрия и разрушаются органическими растворителями, что связано с гидрофобностью пилина. Бактерии, имеющие F-пили, приобретают новый антиген, у них изменяется поверхностный заряд. Бактерии с F-пилями малоподвижны, проявляют тенденцию к автоагглютинации, например, при понижении значения рН среды. Это также происходит за счет богатства пилина кислыми и гидрофобными аминокислотами. F-фактор интересен еще и потому, что иногда (примерно в 1 случае из 100000) он встраивается в молекулу основной ДНК клетки-хозяина. Тогда при конъюгации переносится не только F-фактор, но, также и остальная ДНК. Этот процесс занимает примерно 90 минут, но клетки могут расходиться и раньше, до полного обмена ДНК. Такие штаммы постоянно передают всю или большую часть своей ДНК другим клеткам. Эти штаммы называются Hrf-штаммами (High frequency recombination), потому что донорная ДНК таких штаммов рекомбинирует с ДНК реципиента.

Для образования F-пилей необходима активность, по крайней мере, 13 генов. Сборка трубочек пилей происходит на цитоплазматической мембране в местах её контакта с внешней мембраной. Трубочка пили проходит через слои муреина и внешнюю мембрану. Для сборки и сохранения пилей необходима энергия . Образованию пилей препятствуют цианид , динитрофенол , азид натрия . Возможно, в процессе сборки происходит фосфорилирование пилина. Обычно клетки с дерепрессированным F-фактором образуют 1-2 пили, а в анаэробных условиях и на богатой среде - до 5 пилей. Причина стимуляции пилеобразования в анаэробных условиях неизвестна. У клеток с оторванными пилями быстро отрастают новые, за 30 секунд пиля достигает 1/2 нормальной длины, а полностью формируется за 4-5 мин. Сформированные пили сохраняются на поверхности клетки 4-5 мин, а затем сбрасываются. Это свидетельствует в пользу точки зрения о том, пили - активные образования. Пили, определяемые фактором Соl I, образованы иным пилином, на них не адсорбируются фаги , специфичные для F-пилей, но имеются специфичные для них фаги. Так называемые мужские фаги адсорбируются на половых пилях, РНК -содержащие фаги - на их боковых поверхностях и нитчатые фаги, содержащие одноцепочечную ДНК, - на кончиках этих пилей. Нитчатый фаг препятствует конъюгации.

При конъюгации к реципиентной клетке присоединяется конец половой пили, при этом рецептором служит белок внешней мембраны реципиентной клетки. Сначала этот контакт не очень прочный и легко может быть нарушен при гидродинамических воздействиях. При этом пары распадаются при множественном заражении РНК-содержащими фагами или в присутствии ионов Zn 2+ . Через несколько минут контакт становится более прочным, происходит сближение клеток и образование между ними цитоплазматического мостика. Имеются данные, свидетельствующие о том, что передача ДНК может происходить и без образования цитоплазматического мостика, а непосредственно через отверстие в пиле. Инактивация пилей антисывороткой и любые повреждающие их воздействия приводят к нарушению процесса конъюгации, в то время как нарушение целостности внешней мембраны или муреинового слоя до некоторого предела влияют на донорские свойства клетки, имеющей пили. После установления контакта с реципиентной клеткой черв пилю в донорскую клетку передается сигнал, вызывающий начало конъюгационного синтеза ДНК. Механизм работы половых пилей еще окончательно не установлен. Ряд наблюдений свидетельствует в пользу модели, предполагающей активную функцию пилей. Согласно этой точке зрения после установления контакта с клеткой реципиента или с вирусом пиля сокращается или втягивается в клетку. Эта модель подтверждается как косвенными, так и прямыми наблюдениями. На электронно-микроскопических препаратах можно проследить, как после адсорбции нитчатого мужского фага на их кончиках пили укорачиваются, а затем нити фага оказываются на поверхности клетки. Сокращение пилей вызыват KCN или арсенат . После воздействия этими ингибиторами пили не обнаруживаются ни на поверхности клеток, ни в окружающей среде, но можно наблюдать адсорбцию на поверхности клеток мужских фагов и антител , специфичных к концам пилей, то есть их кончики, видимо, продолжают выступать над поверхностью клетки. При фаговой инфекции в дальнейшем происходит растворение белковой оболочки нитчатого фага в цитоплазматической мембране бактерии и освобождение его ДНК в цитоплазму. При инфицировании РНК-содержащими мужскими фагами сначала образуется комплекс фаговой РНК с пилином, а фаговый капсид освобождается в среду.

Обычно синтез пилина находится под контролем цитоплазматических репрессоров. В некоторых случаях удается наблюдать определенные закономерности в регуляции образования пилей. Так, в случае Соl I-фактора каждая клетка, получившая при конъюгации плазмиду Соl I, образует пили, их активное образование происходит у клеток 4-8 последующих генераций. Однако затем только единичные клетки в популяции образуют пили, поскольку у большинства бактерий синтез пилина репрессирован. Подобная репрессия, как считают, имеет приспособительное значение, поскольку клетки без пилей не чувствительны к мужским бактериофагам, которые могли бы уничтожить всю популяцию. Единичные клетки с пилями способны обеспечить конъюгацию. При контакте таких клеток с популяциями реципиентных бактерий начинается лавинообразное распространение плазмиды, поскольку образование пилей сначала не репрессировано.

Половые пили обычно образуют только активно растущие клетки, клетки из культуры, находящейся в стационарной фазе роста, обычно лишены пилей и являются плохими донорами.

Как уже было отмечено, существует много более или менее различающихся плазмид, способных определять образование половых пилей, которые также несколько различаются. Рецепторы на поверхности реципиентных клеток обладают разной степенью сродства к разным пилям, что может сильно влиять на эффективность конъюгации бактерий.

Пили, подобные пилям E. coli , образуют и другие представители Enterobacteriaceae . Половые пили имеют Vibrio , Pasteurella , Aeromonas , Pseudomonas .

Структура бактерий хорошо изучена с помощью электронной микроскопии целых клеток и их ультратонких срезов, а также других методов. Бактериальную клетку окружает оболочка, состоящая из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Под оболочкой находится протоплазма, состоящая из цитоплазмы с включениями и наследственного аппарата - аналога ядра, называемого нуклеоидом (рис. 2.2). Имеются дополнительные структуры: капсула, микрокапсула, слизь, жгутики, пили. Некоторые бактерии в неблагоприятных условиях способны образовывать споры.

Рис. 2.2. Структура бактериальной клетки: 1 - капсула; 2 - клеточная стенка; 3 - цитоплазматическая мембрана; 4 - мезосомы; 5 - нуклеоид; 6 - плазмида; 7 - рибосомы; 8 - включения; 9 - жгутик; 10 - пили (ворсинки)

Клеточная стенка - прочная, упругая структура, придающая бактерии определенную форму и вместе с подлежащей цитоплазматической мембраной сдерживающая высокое осмотическое давление в бактериальной клетке. Она участвует в процессе деления клетки и транспорте метаболитов, имеет рецепторы для бактериофагов, бактериоцинов и различных веществ. Наиболее толстая клеточная стенка у грамположительных бактерий (рис. 2.3). Так, если толщина клеточной стенки грамотрицательных бактерий около 15-20 нм, то у грамположительных она может достигать 50 нм и более.

Основу клеточной стенки бактерий составляет пептидогликан. Пептидогликан является полимером. Он представлен параллельными полисахаридными гликановыми цепями, состоящими из повторяющихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидной связью. Эту связь разрывает лизоцим, являющийся ацетилмурамидазой.

К N-ацетилмурамовой кислоте ковалентными связями присоединен тетрапептид. Тетрапептид состоит из L-аланина, который связан с N-ацетилмурамовой кислотой; D-глутамина, который у грамположительных бактерий соединен с L-лизином, а у грамотри-

Рис. 2.3. Схема архитектоники клеточной стенки бактерий

цательных бактерий - с диаминопимелиновой кислотой (ДАП), которая представляет собой предшественник лизина в процессе бактериального биосинтеза аминокислот и является уникальным соединением, присутствующим только у бактерий; 4-й аминокислотой является D-аланин (рис. 2.4).

В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов и белков. Основным компонентом клеточной стенки этих бактерий является многослойный пептидогликан (муреин, мукопептид), составляющий 40-90% массы клеточной стенки. Тетрапептиды разных слоев пептидогликана у грамположительных бактерий соединены друг с другом полипептидными цепочками из 5 остатков глицина (пентаглицина), что придает пептидогликану жесткую геометрическую структуру (рис. 2.4, б). С пептидогликаном ктеточной стенки грамположительных бактерий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. tekhos - стенка), молекулы которых представляют собой цепи из 8-50 остатков глицерола и рибитола, соединенных фосфатными мостиками. Форму и прочность бактериям придает жесткая волокнистая структура многослойного, с поперечными пептидными сшивками пептидогликана.

Рис. 2.4. Структура пептидогликана: а - грамотрицательные бактерии; б - грамположительные бактерии

Способность грамположительных бактерий при окраске по Граму удерживать генциановый фиолетовый в комплексе с йодом (сине-фиолетовая окраска бактерий) связана со свойством многослойного пептидогликана взаимодействовать с красителем. Кроме этого последующая обработка мазка бактерий спиртом вызывает сужение пор в пептидогликане и тем самым задерживает краситель в клеточной стенке.

Грамотрицательные бактерии после воздействия спиртом утрачивают краситель, что обусловлено меньшим количеством пептидогликана (5-10% массы клеточной стенки); они обесцвечиваются спиртом, и при обработке фуксином или сафранином приобретают красный цвет. Это связано с особенностями строения клеточной стенки. Пептидогликан в клеточной стенке грамотрицательных бактерий представлен 1-2 слоями. Тетрапептиды слоев соединены между собой прямой пептидной связью между аминогруппой ДАП одного тетрапептида и карбоксильной группой D-аланина тетрапептида другого слоя (рис. 2.4, а). Кнаружи от пептидогликана расположен слой липопротеина, соединенный с пептидогликаном через ДАП. За ним следуетнаружная мембрана клеточной стенки.

Наружная мембрана является мозаичной структурой, представленной липополисахаридами (ЛПС), фосфолипидами и белками. Внутренний слой ее представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен ЛПС (рис. 2.5). Таким образом, наружная мем-

Рис. 2.5. Структура липополисахарида

брана асимметрична. ЛПС наружной мембраны состоит из трех фрагментов:

Липида А - консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицательных бактерий. Липид А состоит из фосфорилированных глюкозоаминовых дисахаридных единиц, к которым прикреплены длинные цепочки жирных кислот (см. рис. 2.5);

Ядра, или стержневой, коровой части (от лат. core - ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры;

Высоковариабельной О-специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями.

ЛПС заякорен в наружной мембране липидом А, обусловливающим токсичность ЛПС и отождествляемым поэтому с эндотоксином. Разрушение бактерий антибиотиками приводит к освобождению большого количества эндотоксина, что может вызвать у больного эндотоксический шок. От липида А отходит ядро, или стержневая часть ЛПС. Наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кетодезоксиоктоновая кислота. О-специфическая полисахаридная цепь, отходящая от стержневой части молекулы ЛПС,

состоящая из повторяющихся олигосахаридных единиц, обусловливает серогруппу, серовар (разновидность бактерий, выявляемая с помощью иммунной сыворотки) определенного штамма бактерий. Таким образом, с понятием ЛПС связаны представления об О-антигене, по которому можно дифференцировать бактерии. Генетические изменения могут привести к дефектам, укорочению ЛПС бактерий и появлению в результате этого шероховатых колоний R-форм, теряющих О-антигенную специфичность.

Не все грамотрицательные бактерии имеют полноценную О-специфическую полисахаридную цепь, состоящую из повторяющихся олигосахаридных единиц. В частности, бактерии рода Neisseria имеют короткий гликолипид, который называется липоолигосахаридом (ЛОС). Он сравним с R-формой, потерявшей О-антигенную специфичность, наблюдаемой у мутантных шероховатых штаммов E. coli. Структура ЛОС напоминает структуру гликосфинголипида цитоплазматической мембраны человека, поэтому ЛОС мимикрирует микроб, позволяя ему избегать иммунного ответа хозяина.

Белки матрикса наружной мембраны пронизывают ее таким образом, что молекулы белка, называемыепоринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы с относительной массой до 700 Д.

Между наружной и цитоплазматической мембраной находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты (протеазы, липазы, фосфатазы, нуклеазы, β-лактамазы), а также компоненты транспортных систем.

При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пенициллина, защитных факторов организма и других соединений образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой: протопласты - бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты - бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. После удаления ингибитора клеточной стенки такие измененные бактерии могут реверсировать, т.е. приобретать полноценную клеточную стенку и восстанавливать исходную форму.

Бактерии сфероили протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные размножаться, называются L-формами (от названия Института им. Д. Листера, где они впер-

вые были изучены). L-формы могут возникать и в результате мутаций. Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. Некоторые L-формы (нестабильные) при удалении фактора, приведшего к изменениям бактерий, могут реверсировать, возвращаясь в исходную бактериальную клетку. L-формы могут образовывать многие возбудители инфекционных болезней.

Цитоплазматическая мембрана при электронной микроскопии ультратонких срезов представляет собой трехслойную мембрану (2 темных слоя толщиной по 2,5 нм каждый разделены светлым - промежуточным). По структуре она похожа на плазмолемму клеток животных и состоит из двойного слоя липидов, главным образом фосфолипидов, с внедренными поверхностными, а также интегральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. Некоторые из них являются пермеазами, участвующими в транспорте веществ. В отличие от эукариотических клеток, в цитоплазматической мембране бактериальной клетки отсутствуют стеролы (за исключением микоплазм).

Цитоплазматическая мембрана является динамической структурой с подвижными компонентами, поэтому ее представляют как мобильную текучую структуру. Она окружает наружную часть цитоплазмы бактерий и участвует в регуляции осмотического давления, транспорте веществ и энергетическом метаболизме клетки (за счет ферментов цепи переноса электронов, аденозинтрифосфатазы - АТФазы и др.). При избыточном росте (по сравнению с ростом клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты - впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами. Роль мезосом и внутрицитоплазматических мембран до конца не выяснена. Предполагают даже, что они являются артефактом, возникающим после приготовления (фиксации) препарата для электронной микроскопии. Тем не менее считают, что производные цитоплазматической мембраны участвуют в делении клетки, обеспечивая энергией синтез клеточной стенки, принимают участие в секреции веществ, спорообразовании, т.е. в процессах с высокой затратой энергии. Цитоплазма занимает основной объем бактери-

альной клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений и многочисленных мелких гранул - рибосом, ответственных за синтез (трансляцию) белков.

Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от 80S-рибосом, характерных для эукариотических клеток. Поэтому некоторые антибиотики, связываясь с рибосомами бактерий, подавляют синтез бактериального белка, не влияя на синтез белка эукариотических клеток. Рибосомы бактерий могут диссоциировать на две субъединицы: 50S и 30S. рРНК - консервативные элементы бактерий («молекулярные часы» эволюции). 16S-рРНК входит в состав малой субъединицы рибосом, а 23S-рРНК - в состав большой субъединицы рибосом. Изучение 16S рРНК является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов.

В цитоплазме имеются различные включения в виде гранул гликогена, полисахаридов, β-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Они накапливаются при избытке питательных веществ в окружающей среде и выполняют роль запасных веществ для питания и энергетических потребностей.

Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Толуидиновым синим или метиленовым голубым волютин окрашивается в краснофиолетовый цвет, а цитоплазма бактерии - в синий. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки. Метахроматическое окрашивание волютина связано с высоким содержанием полимеризованного неорганического полифосфата. При электронной микроскопии они имеют вид электронноплотных гранул размером 0,1-1 мкм.

Нуклеоид - эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, плотно уложенной наподобие клубка. Нуклеоид бактерий, в отличие от эукариот, не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). У большинства бактерий содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК. Но у некоторых бактерий имеются две хромосомы кольцевой формы (V. cholerae) и линейные хромосомы (см. раздел 5.1.1). Нуклеоид выявляется в световом микроскопе после окраски специфическими для ДНК

методами: по Фельгену или по Романовскому-Гимзе. На электронограммах ультратонких срезов бактерий нуклеоид имеет вид светлых зон с фибриллярными, нитевидными структурами ДНК, связанной определенными участками с цитоплазматической мембраной или мезосомой, участвующими в репликации хромосомы.

Кроме нуклеоида, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды (см. раздел 5.1.2), представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.

Капсула, микрокапсула, слизь. Капсула - слизистая структура толщиной более 0,2 мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бактерий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках-отпечатках из патологического материала. В чистых культурах бактерий капсула образуется реже. Она выявляется при специальных методах окраски мазка по Бурри- Гинсу, создающих негативное контрастирование веществ капсулы: тушь создает темный фон вокруг капсулы. Капсула состоит из полисахаридов (экзополисахаридов), иногда из полипептидов, например у сибиреязвенной бациллы она состоит из полимеров D-глутаминовой кислоты. Капсула гидрофильна, включает большое количество воды. Она препятствует фагоцитозу бактерий. Капсула антигенна: антитела к капсуле вызывают ее увеличение (реакция набухания капсулы).

Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование толщиной менее 0,2 мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии.

От капсулы следует отличать слизь - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких внешних границ. Слизь растворима в воде.

Мукоидные экзополисахариды характерны для мукоидных штаммов синегнойной палочки, часто встречающихся в мокроте больных кистозным фиброзом. Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам); их еще называют гликокаликсом.

Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания, так как, являясь гидрофильными, хорошо связывают воду, препятствуют действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов.

Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие на-

чало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка. Толщина жгутиков 12-20 нм, длина 3-15 мкм. Они состоят из трех частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (одна пара дисков у грамположительных и две пары у грамотрицательных бактерий). Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем - ротором, вращающим жгутик. В качестве источника энергии используется разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Механизм вращения обеспечивает протонная АТФ-синтетаза. Скорость вращения жгутика может достигать 100 об/с. При наличии у бактерии нескольких жгутиков они начинают синхронно вращаться, сплетаясь в единый пучок, образующий своеобразный пропеллер.

Жгутики состоят из белка - флагеллина (flagellum - жгутик), являющегося антигеном - так называемый Н-антиген. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.

Число жгутиков у бактерий разных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного вибриона до десятка и сотен, отходящих по периметру бактерии (перитрих), у кишечной палочки, протея и др. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки. Амфитрихи имеют по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки.

Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии препаратов, напыленных тяжелыми металлами, или в световом микроскопе после обработки специальными методами, основанными на протравливании и адсорбции различных веществ, приводящих к увеличению толщины жгутиков (например, после серебрения).

Ворсинки, или пили (фимбрии) - нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10 нм * 0,3-10 мкм), чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина. Известно несколько типов пилей. Пили общего типа отвечают за прикрепления к субстрату, питание и водно-солевой обмен. Они многочисленны - несколько сотен на клетку. Половые пили (1-3 на клетку) создают контакт между клетками, осуществляя между ними передачу генетической информации путем конъюгации (см. главу 5). Особый интерес представляют пили IV типа, у которых концы обладают гидрофобностью, в результате чего они закручиваются, эти пили называют еще кудряшками. Располага-

ются они по полюсам клетки. Эти пили встречаются у патогенных бактерий. Они обладают антигенными свойствами, осуществляют контакт бактерии с клеткой-хозяином, участвуют в образовании биопленки (см. главу 3). Многие пили являются рецепторами для бактериофагов.

Споры - своеобразная форма покоящихся бактерий с грамположительным типом строения клеточной стенки. Спорообразующие бактерии рода Bacillus, у которых размер споры не превышает диаметр клетки, называются бациллами. Спорообразующие бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, отчего они принимают форму веретена, называются клостридиями, например бактерии рода Clostridium (от лат.Clostridium - веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля-Нельсена в красный, а вегетативная клетка - в синий цвет.

Спорообразование, форма и расположение спор в клетке (вегетативной) являются видовым свойством бактерий, что позволяет отличать их друг от друга. Форма спор бывает овальной и шаровидной, расположение в клетке - терминальное, т.е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное - ближе к концу палочки (у возбудителей ботулизма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы).

Процесс спорообразования (споруляция) проходит ряд стадий, в течение которых часть цитоплазмы и хромосома бактериальной вегетативной клетки отделяются, окружаясь врастающей цитоплазматической мембраной, - образуется проспора.

В протопласте проспоры находятся нуклеоид, белоксинтезирующая система и система получения энергии, основанная на гликолизе. Цитохромы отсутствуют даже у аэробов. Не содержится АТФ, энергия для прорастания сохраняется в форме 3-глицеринфосфата.

Проспору окружают две цитоплазматические мембраны. Слой, окружающий внутреннюю мембрану споры, называется стенкой споры, он состоит из пептидогликана и является главным источником клеточной стенки при прорастании споры.

Между наружной мембраной и стенкой споры формируется толстый слой, состоящий из пептидогликана, имеющего много сшивок, - кортекс.

Кнаружи от внешней цитоплазматической мембраны расположена оболочка споры, состоящая из кератиноподобных белков, со-

держащих множественные внутримолекулярные дисульфидные связи. Эта оболочка обеспечивает резистентность к химическим агентам. Споры некоторых бактерий имеют дополнительный покров -экзоспориум липопротеиновой природы. Таким образом формируется многослойная плохо проницаемая оболочка.

Спорообразование сопровождается интенсивным потреблением проспорой, а затем и формирующейся оболочкой споры дипиколиновой кислоты и ионов кальция. Спора приобретает термоустойчивость, которую связывают с наличием в ней дипиколината кальция.

Спора долго может сохраняться из-за наличия многослойной оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизма. В почве, например, возбудители сибирской язвы и столбняка могут сохраняться десятки лет.

В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии: активации, инициации, вырастания. При этом из одной споры образуется одна бактерия. Активация - это готовность к прорастанию. При температуре 60-80 °С спора активируется для прорастания. Инициация прорастания длится несколько минут. Стадия вырастания характеризуется быстрым ростом, сопровождающимся разрушением оболочки и выходом проростка.

КАПСУЛА. Капсула – это слизистое образование, обволакивающее клетку бактерии.

В зависимости от толщины, различают:

Микрокапсулы – они толщиной менее 0,2 мкм, видимы лишь только под электронным микроскопом.
Макрокапсулы – толщиной более 0,2 мкм (до 10 мкм), видны в световом микроскопе.
Слизистый слой – во много раз толще клетки бактерии.

По строению капсулы различают:

Нормального строения (окружают равномерным слоем клеточную стенку).
Содержащие поперечно-полосатые фибриллы из нитей целлюлозы.
Сложные капсулы (состоят из участков полисахаридов и полипептидов).
Прерывистые капсулы (окружают неравномерным слоем клеточную стенку).

Химический состав капсулы: она на 98 % состоит из воды.

По химическому составу капсулы разделяют на: Капсулы полисахаридной природы. Капсулы, состоящие из полипептидов и полисахаридов.

Функции капсулы:

Защитная (предохраняет клетку от механических повреждений, высыхания, токсинов, бактериофагов, фагоцитоза, высокой концентрации кислорода).
Создает дополнительный осмотический барьер.
Для некоторых бактерий является источником запасных питательных веществ (азотобактера).
Для слипания клеток (зооглеи).

ЖГУТИКИ. Жгутики – это поверхностные структуры, служащие для движения бактерии.

В зависимости от количества и мест локализации различают:

Монотрихи – имеют 1 жгутик.
Лофотрихи – имеют пучок жгутиков на одном конце клетки.
Амфитрихи – имеют 1 жгутик или пучок жгутиков на обоих полюсах клетки.
Перитрихи – имеют несколько жгутиков по всей поверхности.
Латеротрихи – имеют жгутики только на одной стороне.
Атрихи – не имеют жгутиков.

Строение жгутиков:

Спиральная жгутиковая нить – присоединяется к крючку, имеет постоянную толщину.
Крючек – изогнутый белковый цилиндр. У некоторых бактерий крючек может состоять из центрального цилиндра и чехла.
Базальное тельце – состоит из центрального стержня, вставленного в систему колец (внешняя и внутренняя пара колец).

Химический состав жгутиков: они на 98% состоят из белка (флагеллина).

Механизм жвижения жгутиков: они представляют собой левозакрученную спираль и вращаются против часовой стрелки (при этом клетка движется поступательно).

Функции жгутиков: дают возможность бактериям перемещаться в жидкой среде в поисках более благоприятных условий.

Жгутики типичны для палочковидных и извитых форм бактерий. Лишь только в единичных случаях встречаются у кокков.

ПИЛИ (ФИМБРИИ). Различают: фимбрии общего типа и половые фимбрии.

Фимбрии общего типа – это прямые полые цилиндры, отходящие от цитоплазматической мембраны (ЦПМ).

Отличие фимбрий от жгутиков: они не выполняют функцию движения, короче, толще, не согнуты штопорообразно.

Строение фимбрий: состоят из белка – пилина.

Функции фимбрий общего типа:

Половые фимбрии – это прямые полые цилиндры, имеющиеся у мужских клеток бактерий и служащие для конъюгации.

Строение фимбрий: состоят из белка – пилина.

Функции. Половые фибрии образуются у мужских клеток бактерий (доноров) благодаря наличию полового фактора (находится в плазмидах). Они необходимы для прикрепления мужской клетки к женской клетки (реципиентов) и введения ей ДНК. Такой процесс называется конъюгацией (половой процесс). Она служит не для размножения, а для передачи новых генетических признаков (устойчивость к антибиотикам).