Бактерии представляют собой одноклеточные организмы, лишенные хлорофилла. Эта группа микроорганизмов наиболее многочисленна, широко распространена в природе и хорошо изучена. Среди бактерий имеется значительное число возбудителей инфекционных заболеваний человека и животных.
Форма и размеры бактерий. По форме клеток бактерии разделяются на шаровидные — кокки; палочковидные или цилиндрические — собственно бактерии; извитые— вибрионы и спириллы. Между основными формами имеются переходные. Различные формы бактерий показаны на рис. 1.
Кокки (от греч. coccus— зерно, ягода) различаются между собой в зависимости от расположения клеток после их деления. Одиночные кокки называются микрококками (рис. 1,1), парные — диплококками. Если кокки после деления не расходятся, а образуют цепочку, их называют стрептококками (рис. 1,3). Все эти кокки делятся только в одной плоскости. При делении в двух взаимно перпендикулярных плоскостях могут образоваться сочетания из четырех кокков — тетракокки (рис. 1,6), а при делении в трех взаимно перпендикулярных плоскостях — сарцины (от лат. sarcio — связывать; рис. 1,7), состоящие из 8—16 клеток. Если деление происходит без определенного порядка, кокки остаются вместе и образуют скопления, напоминающие грозди винограда, — стафилококки (рис.1,2). Обычно размеры кокков достигают 1—1,5 мкм.
Среди кокков имеются возбудители различных заболеваний человека: диплококки-пневмококки (рис. 1,5), мейингококки и гонококки (рис. 1,4) вызывают соответственно воспаление легких, менингит и гонорею; стафилококки и стрептококки — различные гнойные заболевания человека и животных. Многие кокки являются обитателями различных полостей и кожи человека и широко распространены во внешней среде.
Палочковидные бактерии (от греч. bacteria— палочка) имеют цилиндрическую форму и обычно располагаются одиночно (рис. 1,8—9), но иногда попарно (диплобактерии) или в виде цепочек (стрептобактерии). Палочки могут быть прямыми, слегка изогнутыми и веретенообразными; размеры их достигают 1—5x0,5— 1 мкм. Палочки, не образующие спор, называют бактериями, а спорообразующие — бациллами (аэробы) и клостридиями (анаэробы). Под воздействием различных факторов форма и величина бактерий могут меняться. Способность бактерий изменять свою форму и величину называется полиморфизмом.
Среди бактерий много возбудителей инфекционных заболеваний: чумы, сибирской язвы, бруцеллеза, столбняка, газовой гангрены, дифтерии, кишечных инфекций.
Извитые формы бактерий имеют вид спирали, состоящей из нескольких завитков. Среди них различают вибрионы, имеющие один завиток (рис. 1, 10), и спириллы с 2—3 завитками (рис. 1, 11).
Вибрионы — слабоизогнутые клетки, напоминающие запятую, длиной 1—3 мкм, очень подвижные за счет жгутика, расположенного на конце клетки. Среди вибрионов наибольшее значение имеет возбудитель холеры.
Спириллы — безвредные микроорганизмы, живущие в сточных или загрязненных водах, гниющих отбросах. Только Spirillum minus вызывает у человека болезнь укуса крысы—содоку.
Структура бактерий. Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и цитоплазмы, которая содержит ядерное вещество, различные органеллы и включения. Кроме того, у многих бактерий имеются капсула и слизистый слой, жгутики и пили (рис. 2).
Клеточная стенка. Оболочка, которая отделяет микробную клетку от окружающей среды, определяет и сохраняет ее форму, получила название клеточной стенки (рис. 3). Она характеризуется прочностью, эластичностью и гибкостью. Клеточная стенка выполняет жизненно важную функцию: предохраняет клетку от осмотического лизиса, так как давление внутри клетки в цитоплазме выше, чем в окружающей среде. Обладая избирательной проницаемостью, клеточная стенка обеспечивает прохождение внутрь клетки различных веществ и выведение наружу продуктов обмена. Через клеточную стенку легко проникают вода, глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, имеющие молекулы небольших размеров. Более крупные молекулы органических веществ не могут проникнуть внутрь клетки без предварительного расщепления их на более мелкие с помощью ферментов, выделяемых клеткой.
Клеточная стенка бактерий имеет сложную структуру и построена из компонентов двух типов. Прочность и твердость клеточной стенке придает сеть микрофибрилл, которая погружена в содержимое — матрикс. Микрофибриллы являются гликопептидами (пептидогликаны, или муреины). Слой гликопептидов определяет и сохраняет форму бактериальной клетки. Структура и химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий различны.
Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет наиболее простое строение. Структура ее однородна, она толще (10—15 нм), чем клеточная стенка грамотрицательных бактерий. Основная масса клеточной стенки — гликопептиды (до 90%). Сеть микрофибрилл погружена в матрикс, содержащий полисахариды (до 90%) и тейхоевые кислоты. Белки обычно отсутствуют, а липиды составляют всего 2,5%. Однако некоторые грамположительные бактерии, например коринебактерии и микобактерии, содержат в клеточной стенке большое количество липидов.
Клеточная стенка грамотрицательных бактерий имеет сложное строение и по химическому составу значительно отличается от клеточных стенок грамположительных бактерий. Внутренний слой клеточной стенки — тонкий мешочек молекул гликопептида, состоящий из одного или двух молекулярных слоев (2—3 нм). Поверх него лежит широкий внешний слой (7—8 нм) из неплотно упакованных молекул белка и фосфолипидов, над которым располагается третий слой — липополисахариды. Возможна и другая структура внешнего слоя клеточной стенки: в двойной слой фосфолипидов включены белки и липополисахариды.
В клеточной стенке этих бактерий много липидов (до 25%), белка и полисахаридов.
Цитоплазматическая мембрана. Непосредственно под клеточной стенкой расположена цитоплазматическая мембрана, очень плотно прилегающая к ней (рис.4). Цитоплазматическая мембрана имеет большое значение в жизни клетки. Она действует как осмотический барьер, концентрируя внутри клетки питательные вещества и способствуя выведению продуктов обмена. Через нее проходят частицы, имеющие молекулы небольших размеров (фрагменты ДНК, белки с низкой молекулярной массой— внеклеточные ферменты). Белки цитоплазматической мембраны — пермеазы выполняют функцию транспорта — переноса органических и неорганических веществ в клетку. Дитоплазматическая мембрана является местом биосинтеза некоторых составных частей клетки, принимает участие в процессах деления бактерий. На внутренней поверхности ее находятся специальные участки, к которым прикрепляется ДНК в процессе ее удвоения (репликации). Рост мембраны обеспечивает разделение генома клетки после завершения процесса репликации. У аэробных бактерий в цитоплазматической мембране находится цепочка переноса электронов, обеспечивающих энергетический обмен клетки.
Цитоплазматическая мембрана очень тонка (не более 8—10 нм). На электронных микрофотографиях она видна как двойная линия, разделенная светлым промежутком (трехслойная). Более половины массы цитоплазматической мембраны составляют белки и 20—30% — фосфолипиды. Цитоплазматическая мембрана бактерий имеет структуру элементарной биологической мембраны — двойного слоя фосфолипидов, на поверхности которых расположены белки.
При некоторых воздействиях на бактериальную клетку, например при помещении ее в гипертонический раствор хлорида натрия, мембрана может отделиться от клеточной стенки и стать хорошо видимой (см. рис. 3).
Цитоплазма. Содержимое бактериальной клетки — ограниченное цитоплазматической мембраной прозрачное, слегка вязкое вещество жидкой консистенции. Цитоплазма клеток бактерий является коллоидальной системой, состоящей из воды, протеинов, жиров, углеводов, различных минеральных и других веществ, соотношения которых варьируют в зависимости от вида бактерий и возраста клетки.
В цитоплазме бактерии находятся ядро клетки — нуклеоид, рибосомы, мезосомы, а также различные гранулы запасных питательных веществ, пигменты, жиры.
Нуклеоид. Содержит ДНК, которая связана с небольшим количеством специфического основного белка— гистона (нуклеопротеид) и является хранителем наследственной информации в клетке. В отличие от ядер других микроорганизмов, например простейших, нуклеоид бактерий не имеет ясно выраженной мембраны, ограничивающей его от остальной части цитоплазмы (см. рис. 4). Молекула ДНК по схеме, предложенной в 1953 г. Уотсоном и Криком, состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой наподобие винтовой лестницы (рис. 5). Наружную поверхность такой двойной спирали образует сахар — дезоксирибоза (С), которая чередуется с остатками фосфорной кислоты (Ф). Внутри спирали перпендикулярно к ее оси, как ступеньки лестницы, расположены плоские молекулы азотистых оснований: пурины — аденин (А), гуанин (Г) и пиримидины — тимин (Т), цитозин (Ц). Каждый пурин вследствие своей химической структуры обязательно соединен с пиримидином, поэтому нить ДНК имеет равномерную толщину, около 0,2 нм, на всем протяжении. Длина молекулы ДНК может быть в сотни миллионов раз больше. Например, общая длина хромосомы кишечной палочки 1— 1,4 мм.Пурины и пиримидины соединены между собой водородными связями, которые легко разрываются. Каждое азотистое основание прикреплено только к сахару наружной цепи — дезоксирибозе. Дезоксирибоза, фосфат и азотистое основание образуют один мономер ДНК, называемый нуклеотидом (Н). Для ДНК многих бактерий характерна кольцевая структура в виде замкнутого кольца. У большинства прокариотов только одна бактериальная хромосома.
Рибосомы. Помимо ДНК, в клетке есть вторая нуклеиновая кислота — рибонуклеиновая (РНК), которая в отличие от ДНК состоит из одной цепи, имеет сахар рибозу вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина. Основная масса РНК связана с белком в форме маленьких частиц, или рибосом, которые являются центрами синтеза белка. Рибосомы образуют большие агрегаты, называемые полирибосомами, или полисомами, состоящими из 7—8 рибосом и более. Химический состав рибосом: 40—60% РНК и 60—40% белка. У бактерий рибосомы свободно лежат в цитоплазме. Количество их в каждой клетке может быть более 100. Помимо рибосомальной РНК (рРНК), в цитоплазме бактерии находится еще информационная РНК (иРНК, или мРНК). Она осуществляет функцию переноса генетической информации от ДНК к полисомам. У кишечной палочки она составляет 2— 4 % от всей РНК. Третья рибонуклеиновая кислота — транспортная (тРНК)—выполняет функцию транспортировки в рибосомы аминокислот, необходимых для синтеза белка.
Мезосомы. У некоторых бацилл из цитоплазматической мембраны возникают сферические, закрученные в завиток структуры — так называемые мезосомы. Функция их пока не совсем ясна. Возможно, они участвуют в процессе деления клетки или в окислительно-восстановительных процессах, выполняя роль митохондрий.
Гранулы. В цитоплазме бактерий находятся различные гранулы, многие из которых содержат запасные питательные вещества. Источником углерода или энергии служат гранулы безазотистых органических веществ — полисахариды, состоящие из молекул глюкозы. Одни гранулы состоят из крахмала и окрашиваются йодом в синий цвет (иогены или гранулеза), другие содержат гликоген и окрашиваются йодом в красновато-коричневый цвет. Сернистые бактерии накапливают в цитоплазме капельки серы, некоторые бактерии синтезируют и накапливают липидные включения, которые видны в форме мелких капель благодаря большой степени их преломления.
У некоторых микробов в цитоплазме находятся зерна волютина, впервые обнаруженные у спирилл (Spirillum volutans). Они являются запасными питательными веществами, состоящими из неорганических полифосфатов и соединений, близких к нуклеиновым кислотам. Волютин в виде крупных гранул накапливается в цитоплазме бактерий при выращивании их на средах, содержащих углеводы. Зерна волютина при окраске их метиленовым синим обнаруживают явления метахромазии: синяя краска придает им ярко-красный цвет. У некоторых бактерий, например коринебактерий, обнаружение зерен волютина является ценным диагностическим признаком.
Капсула и слизистый слой. У многих бактерий с наружной стороны клеточной стенки расположен диффузный гомогенный слизистый слой различной толщины (см. рис. 2,1). Этот слой можно выявить при определенных способах окраски или соответствующем освещении.
Капсулой называют слой, который сохраняет тесную связь с клеточной стенкой и служит внешним покровом клетки. Толщина его ограничена, и капсула четко выявляется при негативном окрашивании по методу Гинса: на темном фоне препарата видна окрашенная в красный цвет бактериальная клетка, окруженная бесцветной капсулой. Толщина капсул у бактерий различна: от долей микрометра до 10 мкм. Капсулу величиной менее 0,2 мкм часто называют микрокапсулой. Поверхностные структуры типа капсул описаны у пневмококков, возбудителей сибирской язвы, коклюша, гонореи, группы капсульных бактерий — клебсиелл. У многих видов бактерий капсула появляется лишь при определенных условиях, часто неблагоприятных. Возбудители сибирской язвы, коклюша, гонореи, пневмококки образуют капсулу, попадая в организм человека или животного. В этом случае капсула выполняет защитную роль, предохраняя микроб от действия антител, фагоцитов и других защитных факторов организма. Группа капсульных бактерий сохраняет капсулу постоянно: и в организме человека, и пр,и культивировании на питательных средах. Химический состав капсул зависит от вида бактерий. Основными компонентами капсулы являются вода (до 98%) и полисахариды. В капсуле сибиреязвенных бацилл найдены полипептиды, а в капсуле стрептококка — белок М.
Слизистые слои, образующиеся вокруг поверхности некоторых бактерий, отличаются от капсул более рыхлым строением, толщиной, способностью частично отделяться от образовавшей их клетки. Материал, составляющий слизистый слой, часто обнаруживают в питательной среде, в которой культивируют микроорганизмы.
Защитные функции капсулы разнообразны. Помимо предохранения микроба от действия защитных факторов макроорганизма, капсула предохраняет микроб от притока в клетку большого количества жидкости (осмотический барьер), а также от высыхания при неблагоприятных условиях среды обитания.
Жгутики. Некоторые бактерии обладают подвижностью, которая осуществляется с помощью жгутиков. Число и расположение жгутиков являются характерным видовым признаком бактерий, который используют для дифференциации микроорганизмов. По расположению и числу жгутиков различают бактерии: монотрихи, имеющие один жгутик на одном из полюсов клетки; амфитрихи, у которых на каждом полюсе расположено по одному жгутику; лофотрихи — с пучком жгутиков на одном полюсе (сюда же относят бактерии, которые имеют пучки жгутиков на обоих полюсах), и перитрих и, жгутики у которых расположены по всей поверхности тела (рис. 6).
Жгутики представляют собой тонкие, спиральные, нитевидные фибриллы толщиной 12—18 нм. Длина жгутика может в 10 раз превышать длину самой бактерии. Жгутик отходит от специального образования — базального тельца, расположенного в цитоплазме на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны (рис. 7). Базальное тельце имеет сложное строение, в нем находится механизм в виде двух кольцевых пластинок, вращение которых относительно друг друга сообщает движение жгутику.
Жгугики бактерий — белковые нити, состоящие из белка флагеллина, белковые мономеры которого собраны в спиральные цепи, закрученные вокруг полой сердцевины. При движении жгутик вращается вокруг своей длинной оси по или против часовой стрелки. Движение бактерий можно увидеть при исследовании их в живом состоянии с помощью метода висячей или раздавленной капли и при использовании специальных способов окраски в световом микроскопе. Скорость активного движения с помощью жгутиков у некоторых бактерий очень велика: за 1 с они могут пересечь расстояние, в 20 раз превышающее их длину. Механическое удаление приводит к потере подвижности бактерий, но не препятствует их росту и размножению.
Пили (ворсинки). Прямые нитевидные образования, обнаруженные у сальмонелл, эшерихий, протея, называют ворсинками, а также бахромками, фимбриями, ресничками, пилями (рис. 8). Пили тоньше жгутиков бактерий и короче их; состоят из особого белка пилина, мономеры которого, как и у жгутиков, расположены по спирали. Пили различаются по диаметру и длине; толщина пилёй может быть от 4—10 до 35 нм. Количество пил ей на одну бактериальную клетку может достигать нескольких сотен. Пили обеспечивают способность бактерий к прилипанию (адгезия) друг к другу или к субстрату, например к эпителиальным клеткам слизистой оболочки кишечника.
Некоторые пили, например F-ворсинки, выполняют половые функции у бактерий. Они обеспечивают передачу наследственного материала (ДНК) из одной бактериальной клетки в другую, образуя мостик между двумя клетками. Эти ворсинки шире и длиннее остальных и на конце имеют шаровидное утолщение.
Споры. Некоторые бактерии, попадая в неблагоприятные условия существования, образуют внутри тела спору (эндоспора). Эндоспора представляет собой внутриклеточное, сильно преломляющее свет образование, устойчивое (резистентное) к различным вредным факторам внешней среды: высыханию, действию высоких температур, химических и дезинфицирующих веществ (рис. 9).
Спорообразование свойственно преимущественно палочковидным формам бактерий: бациллам и клостридиям. У бактерий других видов оно встречается очень редко. Споры имеют сферическую, овальную или эллипсоидную форму. Диаметр споры обычно равен диаметру клетки, в которой она образуется, или несколько превышает его, а длина споры составляет 1/4-1/3 длины клетки бактерии. Размер и положение внутри бактериальной клетки зависят от вида, возраста и условий выращивания бактерий. Споры могут располагаться в центре клетки — центрально (рис. 9,1), как, например, у возбудителя сибирской язвы; ближе к концу — субтерминально, у возбудителя газовой гангрены (рис. 9,3); на самом конце — терминально, у возбудителя столбняка и ботулизма (рис. 9,2). Форма и расположение споры в бактериальной клетке могут быть отличительными признаками некоторых возбудителей: например, столбнячная палочка имеет круглую спору, расположенную на конце бактерии, и похожа на барабанную палочку, а ботулиническая палочка — овальную спору также на конце бактериальной клетки и напоминает теннисную ракетку. Созревшая спора имеет сложную структуру.
Процесс спорообразования происходит при попадании бактерии в неблагоприятные условия (недостаток питательных веществ, воды, большое содержание кислорода, действие высоких и низких температур и т. д.). Спорообразование начинается с появления «спорогенной зоны»: в бактериальной клетке образуется уплотненный участок, где наблюдается обособление ядерного материала и части цитоплазмы с помощью тонкой перегородки. По мере развития и созревания споры закладываются ее стенки, число и толщина которых варьируют у разных видов бактерий (стадия проспоры). Затем проспора уплотняется, уменьшается в объеме, превращается в зрелую спору, которая окружена плотной многослойной оболочкой, состоящей в основном из белков, липидов и гликопептидов. Весь процесс спорообразования длится 18—24 ч. По химическому составу споры отличаются высоким содержанием липидов, солей кальция; вода в споре находится в связанном с другими соединениями состоянии. Эти особенности спор и обусловливают их высокую устойчивость к различным факторам: кипячению, действию высоких и низких температур, высушиванию, ультрафиолетовому облучению и т. д. При попадании в благоприятные условия существования (наличие питательных веществ, достаточной влажности и оптимальной температуры) спора прорастает в вегетативную форму: она набухает, в оболочке появляется отверстие, через которое вытягивается росток, превращающийся затем в палочку. Весь процесс длится 4—5 ч.
Одной клетке соответствует только одна спора, поэтому спорообразование у бактерий не связано с процессом размножения, как у грибов, а является лишь способом переживания в неблагоприятных условиях внешней среды.
Спорообразующие микробы широко распространены в почве, воздухе, сохраняясь там десятки лет. Среди них встречаются патогенные виды — бациллы сибирской язвы, возбудители газовой гангрены, столбняка и ботулизма.
Сферопласты и протопласты. Бактериальная клетка в определенных условиях может быть лишена клеточной стенки. Эту стенку можно разрушить действием лизоцима или пенициллина, который нарушает синтез гликопептидов. Бактерии, целиком лишенные клеточной стенки, называются протопластами, а при сохранении небольших участков ее—сферопластами. Эти образования покрыты тонкой и нежной цитоплазматической мембраной и имеют сферическую форму. Цитоплазматическая мембрана неспособна сдержать высокое осмотическое давление цитоплазмы, поэтому для сохранения жизнеспособности сферопласты и протопласты помещают в специально осмотически уравновешенные среды, содержащие 5—20% сахарозы и сыворотку лошади. В этих средах они сохраняют округлую форму, а некоторые —даже жгутики. Однако такие протопласты неподвижны вследствие нарушения у них механизмов, управляющих движением жгутиков. Спустя некоторое время после хранения сферопластов и протопластов в растворах сахарозы они начинают разрушаться (лизируются) и в среде появляются мелкие зерна и пустые пузырьки — «тени» протопластов. При определенных условиях сферопласты, частично сохраняющие клеточную стенку, могут размножаться на плотных питательных средах и реверсировать (возвращаться) в исходные формы, что сближает их с нестабильными L-формами бактерий типа В.
L-формы бактерий. При частичном или полном разрушении клеточных стенок многие виды бактерий могут образовывать L-формы. Впервые они были обнаружены Клинебергер-Нобель в 1935 г. Название их происходит от первой буквы института Листера (L), в котором они были открыты.
Характерным для L-форм бактерий является их сходство с микроорганизмами группы плевропневмонии крупного рогатого скота (PPLO), которые отнесены в настоящее время к микоплазмам. Однако L-формы отличает от микоплазм то, что им несвойственна потребность в питательных веществах, в которых нуждаются микоплазмы. Генетически L-формы идентичны исходным формам, из которых они получены. У некоторых из них частично сохранена клеточная стенка (L-формы типа В), поэтому они могут превращаться в исходные формы бактерий. Образование L-форм происходит под «действием пенициллина, который нарушает синтез мукопептидов клеточной стенки. Иногда эти формы возникают спонтанно.
По морфологии L-формы разных видов бактерий и других микроорганизмов (трепонемы, дрожжи) сходны между собой. Они представляют шаровидные, вакуолизи- рованные образования величиной от 1—8 мкм до мельчайших— 250 нм, способных, как и вирусы, проходить через поры фарфоровых фильтров. Однако в отличие от вирусов L-формы можно выращивать на искусственных питательных средах, добавляя к ним пенициллин, сахара, лошадиную сыворотку. При удалении из такой среды пенициллина L-формы (тип В) вновь превращаются в. исходные формы бактерий. Этот процесс называется реверсией. Однако существуют стабильные L-формы бактерий (тип А), возвращение которых к исходной форме затруднено или невозможно. В настоящее время получены L-формы протея, кишечной палочки, холерного вибриона, бруцелл, возбудителей газовой гангрены, столбняка и других микроорганизмов.
Организм бактерии представлен одной единственной клеткой. Формы бактерий разнообразны. Строение бактерий отличается от строения клеток животных и растений.
В клетке отсутствует ядро, митохондрии и пластиды. Носитель наследственной информации ДНК, расположена в центре клетки в свернутом виде. Микроорганизмы, которые не имеют настоящего ядра, относятся к прокариотам. Все бактерии — прокариоты.
Предполагается, что на земле существует свыше миллиона видов этих удивительных организмов. К настоящему времени описано около 10 тыс. видов.
Бактериальная клетка имеет стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму с включениями и нуклеотид. Из дополнительных структур некоторые клетки имеют жгутики, пили (механизм для слипания и удержания на поверхности) и капсулу. При неблагоприятных условиях некоторые бактериальные клетки способны образовывать споры. Средний размер бактерий 0,5-5 мкм.
Внешнее строение бактерий
Рис. 1. Строение бактериальной клетки.
Клеточная стенка
- Клеточная стенка бактериальной клетки является для нее защитой и опорой. Она придает микроорганизму свою, специфическую форму.
- Клеточная стенка проницаема. Через нее проходят питательные вещества внутрь и продукты обмена (метаболизма) наружу.
- Некоторые виды бактерий вырабатывают специальную слизь, которая напоминает капсулу, предохраняющую их от высыхания.
- У некоторых клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают им передвигаться.
- У бактериальных клеток, которые при окрашивании по Граму приобретают розовую окраску (грамотрицательные ), клеточная стенка более тонкая, многослойная. Ферменты, благодаря которым происходит расщепление питательных веществ, выделяются наружу.
- У бактерий, которые при окрашивании по Граму приобретают фиолетовую окраску (грамположительные ), клеточная стенка толстая. Питательные вещества, которые поступают в клетку, расщепляются в периплазматическом пространстве (пространство между клеточной стенкой и мембраной цитоплазмы) гидролитическими ферментами.
- На поверхности клеточной стенки имеются многочисленные рецепторы. К ним прикрепляются убийцы клеток — фаги, колицины и химические соединения.
- Липопротеиды стенки у некоторых видов бактерий являются антигенами, которые называются токсинами.
- При длительном лечении антибиотиками и по ряду других причин некоторые клетки теряют оболочку, но сохраняют способность к размножению. Они приобретают округлую форму — L-форму и могут длительно сохраняться в организме человека (кокки или палочки туберкулеза). Нестабильные L-формы обладают способностью принимать первоначальный вид (реверсия).
Рис. 2. На фото строение бактериальной стенки грамотрицательных бактерий (слева) и грамположительных (справа).
Капсула
При неблагоприятных условиях внешней среды бактерии образуют капсулу. Микрокапсула плотно прилегает к стенке. Ее можно увидеть только в электронном микроскопе. Макрокапсулу часто образуют патогенные микробы (пневмококки). У клебсиеллы пневмонии макрокапсула обнаруживаются всегда.
Рис. 3. На фото пневмококк. Стрелками указана капсула (электронограмма ультратонкого среза).
Капсулоподобная оболочка
Капсулоподобная оболочка представляет собой образование, непрочно связанное с клеточной стенкой. Благодаря бактериальным ферментам капсулоподобная оболочка покрывается углеводами (экзополисахаридами) внешней среды, благодаря чему обеспечивается слипание бактерий с разными поверхностями, даже совершенно гладкими.
Например, стрептококки, попадая в организм человека, способны слипаться с зубами и сердечными клапанами.
Функции капсулы многообразны:
- защита от агрессивных условий внешней среды,
- обеспечение адгезии (слипанию) с клетками человека,
- обладая антигенными свойствами, капсула оказывает токсический эффект при внедрении в живой организм.
Рис. 4. Стрептококки способны слипаться с эмалью зубов и вместе с другими микробами являются причиной кариеса.
Рис. 5. На фото поражение митрального клапана при ревматизме. Причина — стрептококки.
Жгутики
- У некоторых бактериальных клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают передвигаться. В составе жгутиков находится сократительный белок флагелин.
- Количество жгутиков может быть разным — один, пучок жгутиков, жгутики на разных концах клетки или по всей поверхности.
- Движение (беспорядочное или вращательное) осуществляется в результате вращательного движения жгутиков.
- Антигенные свойства жгутиков оказывают токсический эффект при заболевании.
- Бактерии, не имеющие жгутиков, покрываясь слизью, способны скользить. У водных бактерий содержатся вакуоли в количестве 40 — 60, наполненные азотом.
Они обеспечивают погружение и всплытие. В почве бактериальная клетка передвигается по почвенным каналам.
Рис. 6. Схема прикрепления и работы жгутика.
Рис. 7. На фото разные типы жгутиковых микробов.
Рис. 8. На фото разные типы жгутиковых микробов.
Пили
- Пили (ворсинки, фимбрии) покрывают поверхность бактериальных клеток. Ворсинка представляет собой винтообразно скрученную тонкую полую нить белковой природы.
- Пили общего типа обеспечивают адгезию (слипание) с клетками хозяина. Их количество огромно и составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч. С момента прикрепления начинается любой .
- Половые пили способствуют переносу генетического материала от донора реципиенту. Их количество от 1 до 4-х на одну клетку.
Рис. 9. На фото кишечная палочка. Видны жгутики и пили. Фото сделано при помощи туннельного микроскопа (СТМ).
Рис. 10. На фото видны многочисленные пили (фимбрии) у кокков.
Рис. 11. На фото бактериальная клетка с фимбриями.
Цитоплазматическая мембрана
- Цитоплазматическая мембрана располагается под клеточной стенкой и представляет собой липопротеин (до 30% липидов и до 70% протеинов).
- У разных бактериальных клеток разный липидный состав мембран.
- Мембранные белки выполняют множество функций. Функциональные белки представляют собой ферменты, благодаря которым на цитоплазматической мембране происходит синтез разных ее компонентов и др.
- Цитоплазматическая мембрана состоит из 3-х слоев. Двойной фосфолипидный слой пронизан глобулинами, которые обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку. При нарушении ее работы клетка погибает.
- Цитоплазматическая мембрана принимает участие в спорообразовании.
Рис. 12. На фото отчетливо видна тонкая клеточная стенка (КС), цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) и нуклеотид в центре (бактерия Neisseria catarrhalis).
Внутреннее строение бактерий
Рис. 13. На фото строение бактериальной клетки. Строение клетки бактерии отличается от строения клеток животных и растений — в клетке отсутствует ядро, митохондрии и пластиды.
Цитоплазма
Цитоплазма на 75% состоит из воды, остальные 25% приходится на минеральные соединения, белки, РНК и ДНК. Цитоплазма всегда густая и неподвижная. В ней содержатся ферменты, некоторые пигменты, сахара, аминокислоты, запас питательных веществ, рибосомы, мезосомы, гранулы и всевозможные другие включения. В центре клетки концентрируется вещество, которое несет наследственную информацию — нуклеоид.
Гранулы
Гранулы состоят из соединений, которые являются источником энергии и углерода.
Мезосомы
Мезосомы — производные клетки. Имеют разную форму — концентрические мембраны, пузырьки, трубочки, петли и др. Мезосомы имеют связь с нуклеоидом. Участие в делении клетки и спорообразовании — их основное предназначение.
Нуклеоид
Нуклеоид является аналогом ядра. Он расположен в центре клетки. В нем локализована ДНК — носитель наследственной информации в свернутом виде. Раскрученная ДНК достигает в длину 1 мм. Ядерное вещество бактериальной клетки не имеет мембраны, ядрышка и набора хромосом, не делится митозом. Перед делением нуклеотид удваивается. Во время деления число нуклеотидов увеличивается до 4-х.
Рис. 14. На фото срез бактериальной клетки. В центральной части виден нуклеотид.
Плазмиды
Плазмиды представляют собой автономные молекулы, свернутые в кольцо, двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.
Рис. 15. На фото бактериальная плазмида. Фото сделано с помощью электронного микроскопа.
Рибосомы
Рибосомы бактериальной клетки участвуют в синтезе белка из аминокислот. Рибосомы бактериальных клеток не объединены в эндоплазматическую сеть, как у клеток, имеющих ядро. Именно рибосомы часто становятся «мишенью» для многих антибактериальных препаратов.
Включения
Включения — продукты метаболизма ядерных и безъядерных клеток. Представляют собой запас питательных веществ: гликоген, крахмал, сера, полифосфат (валютин) и др. Включения часто при окраске приобретают иной вид, чем цвет красителя. По валютину можно диагностировать .
Формы бактерий
Форма бактериальной клетки и ее размер имеет большое значение при их идентификации (распознании). Самые распространенные формы — шаровидная, палочковидная и извитая.
Таблица 1. Основные формы бактерий.
Шаровидные бактерии
Шаровидные бактерии называют кокками (от греческого coccus — зерно). Располагаются по одному, по двое (диплококки), пакетами, цепочками и как гроздья винограда. Данное расположение зависит от способа деления клетки. Самые вредные микробы — стафилококки и стрептококки.
Рис. 16. На фото микрококки. Бактерии круглые, гладкие, имеют белую, желтую и красную окраску. В природе микрококки распространены повсеместно. Живут в разных полостях человеческого организма.
Рис. 17. На фото бактерии диплококки — Streptococcus pneumoniae.
Рис. 18. На фото бактерии сарцины. Кокковидные бактерии соединяются в пакеты.
Рис. 19. На фото бактерии стрептококки (от греческого «стрептос» — цепочка).
Располагаются цепочками. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 20. На фото бактерии «золотистые» стафилококки. Располагаются, как «гроздья винограда». Скопления имеют золотистую окраску. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Палочковидные бактерии
Палочковидные бактерии, образующие споры, называются бациллами. Они имеют цилиндрическую форму. Самым ярким представителем этой группы является бацилла . К бациллам относятся чумные и гемофильные палочки. Концы палочковидных бактерий могут быть заострены, закруглены, обрублены, расширены или расщеплены. Форма самих палочек может быть правильной и неправильной. Они могут располагаться по одной, по две или образовывать цепочки. Некоторые бациллы называют коккобациллами, так как они имеют округлую форму. Но, все же, их длина превышает ширину.
Диплобациллы — сдвоенные палочки. Сибиреязвенные палочки образовывают длинные нити (цепочки).
Образование спор изменяет форму бацилл. В центре бацилл споры образуются у маслянокислых бактериях, придавая им вид веретена. У столбнячных палочек — на концах бацилл, придавая им вид барабанных палочек.
Рис. 21. На фото бактериальная клетка палочковидной формы. Видны множественные жгутики. Фото сделано с помощью электронного микроскопа. Негатив.
Рис. 22. На фото бактерии палочковидной формы, образующие цепочки (сибиреязвенные палочки).
Строение
Бактерии - очень мелкие живые организмы. Их можно видеть только под микроскопом с очень сильным увеличением. Все бактерии одноклеточные. Внутреннее строение клетки бактерий не похоже на клетки растений и животных. У них нет ни ядра, ни пластид. Ядерное вещество и пигменты имеются, но в "распыленном" состоянии. Форма разнообразна.
Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой – клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи – капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула – не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.
На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.
Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, - нуклеиновая кислота – ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.
Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.
Образование спор
Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий. Споры – не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях. Споры у бактерий служат для перенесения неблагоприятных условий. Они образуются из внутренней части содержимого клетки. При этом вокруг споры формируется новая, более плотная оболочка. Споры могут переносить очень низкие температуры (до - 273 °С) и очень высокие. Споры не погибают при кипячении воды.
Питание
Многие бактерии имеют хлорофилл и другие пигменты. Они осуществляют фотосинтез, подобно растениям (цианобактерии, пурпурные бактерии). Другие бактерии получают энергию из неорганических веществ - серы, соединений железа и других, но источник углерода, как и при фотосинтезе, - углекислый газ.
Размножение
Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее. После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.
При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес – 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.
Роль бактерий в природе. Распространение и экология
Бактерии распространены повсеместно: в водоемах, воздухе, почве. В воздухе их меньше всего (но не в местах скопления людей). В водах рек их может быть до 400 000 в 1 см 3 , а в почве - до 1 000 000 000 в 1 г. Бактерии по-разному относятся к кислороду: для одних он необходим, для других губителен. Для большинства бактерий наиболее благоприятны температуры между +4 и +40 °С. Прямой солнечный свет вызывает гибель многих бактерий.
Встречаясь в огромном количестве (число их видов достигает 2500), бактерии играют исключительно важную роль во многих природных процессах. Вместе с грибами и почвенными беспозвоночными животными они участвуют в процессах разложения растительных остатков (опадающие листья, ветки и т.п.) до перегноя. Деятельность сапрофитных бактерий приводит к образованию минеральных солей, которые усваиваются корнями растений. Клубеньковые бактерии, живущие в тканях корней мотыльковых, а также некоторые свободноживущие бактерии обладают замечательной способностью усваивать атмосферный азот, недоступный для растений. Таким образом, бактерии участвуют в круговороте веществ в природе.
Микрофлора почвы. Количество бактерий в почве чрезвычайно велико – сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв. На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков. Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора – один из факторов образования почв. Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, - ризосферной микрофлорой.
Микрофлора водоёмов. Вода – природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается. Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая – 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные. По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.
Микрофлора воздуха.
Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем
микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время
могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от
недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество
микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени
года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем
микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными
предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над
лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше
микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий,
которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.
Микрофлора организма человека.
Тело человека, даже полностью здорового,
всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с
воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том
числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто
загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные
палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов.
Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками – прекрасная среда
для развития микроорганизмов. Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная
масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция
становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках
микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с
экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном
шаре. Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце,
печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы
попадают только во время болезни.
Значение бактерий в жизни человека
Большое значение имеют процессы брожения; так называют в основном разложение углеводов. Так, в результате брожения молоко превращается в кефир и другие продукты; силосование кормов - тоже брожение. Брожение происходит и в кишечнике человека. Без соответствующих бактерий (например, кишечной палочки) кишечник нормально не может функционировать. Гниение, полезное в природе, крайне нежелательно в быту (например, порча мясных продуктов). Не всегда полезно и брожение (например, скисание молока). Чтобы продукты не портились, их солят, сушат, консервируют, держат в холодильниках. Таким образом снижают деятельность бактерий.
Патогенные бактерии
Цитоплазматическая мембрана при электронной микроскопии ультратонких срезов представляет собой трехслойную мембрану (2 темных слоя толщиной по 2,5 нм разделены светлым - промежуточным). По структуре она похожа на плазмалемму клеток животных и состоит из двойного слоя фосфолипидов с внедренными поверхностными, а также интегральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. 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.
Цитоплазма
Цитоплазма 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. Рибосомные
РНК (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,
бета-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Они являются запасными
веществами для питания и энергетических потребностей бактерий. Волютин обладает
сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов
окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Характерное
расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде интенсивно
прокрашивающихся полюсов клетки.
Нуклеоид
Нуклеоид - эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий
в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка.
Ядро бактерий, в отличие от эукариот, не имеет ядерной оболочки, ядрышка и
основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна
хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК.
Кроме нуклеоида, представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке
имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды, представляющие
собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.
Капсула, микрокапсула, слизь
Капсула - слизистая структура толщиной более 0,2мкм, 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
(например, 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, препятствует
фагоцитозу бактерий. Капсула антигенна: антитела против капсулы вызывают ее
увеличение (реакция набухания капсулы).
Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование толщиной менее
0,2мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать
слиэь - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких границ. Слизь растворима
в воде.
Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам),
их еще называют гликокаликсом. Кроме синтеза
экзополисахаридов бактериями, существует и другой механизм их образования:
путем действия внеклеточных ферментов бактерий на дисахариды. В результате
этого образуются декстраны и леваны.
Жгутики
Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют
собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую
длину, чем сама клетка. Толщина жгутиков 12-20 нм, длина 3-15 мкм. Они состоят
из 3 частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень
со специальными дисками (1 пара дисков - у грамположительных и 2 пары дисков
- у грамотрицательных бактерий). Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической
мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем-мотором,
вращающим жгутик. Жгутики состоят из белка - флагеллина (от flagellum - жгутик);
является Н-антигеном. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.
Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих) у
холерного вибриона до десятка и сотен жгутиков, 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.
Пили
Пили (фимбрии, ворсинки) - нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10нм х 0, 3-10мкм) , чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина, обладающего антигенной активностью. Различают пили, ответственные за адгезию, то есть за прикрепление бактерий к поражаемой клетке, а также пили, ответственные за питание, водносолевой обмен и половые (F-пили), или конъюгационные пили. Пили многочисленны - несколько сотен на клетку. Однако, половых пилей обычно бывает 1-3 на клетку: они образуются так называемыми "мужскими" клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F-, R-, Col-плазмиды). Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми "мужскими" сферическими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях.
Споры
Споры - своебразная форма покоящихся фирмикутных бактерий, т.е. бактерий
с грамположительным типом строения клеточной стенки. Споры образуются при
неблагоприятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных
веществ и др.. Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора).
Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения,
как у грибов. Спорообразующие бактерии рода Bacillus имеют споры, не превышающие
диаметр клетки. Бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки,
называются клостридиями, например, бактерии рода Clostridium (лат. Clostridium
- веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески
или по методу Циля-Нильсена в красный, а вегетативная клетка в синий цвет.
Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке -терминальное, т.е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное - ближе к концу палочки (у возбудителей ботулиэма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы). Спора долго сохраняется из-за наличия многослойной оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизмов. В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии: активация, инициация, прорастание.
История изучения
Основы общей микробиологии и изучения роли бактерий в природе заложили Бейеринк Мартинус Виллем и Виноградский Сергей Николаевич .
Изучение строения бактериальной клетки началось с изобретением электронного микроскопа в 1930-е годы . В 1937 году Э. Чаттон предложил делить все организмы по типу клеточного строения на прокариот и эукариот, и в 1961 году Стейниер и Ван Ниль окончательно оформили это разделение. Развитие молекулярной биологии привело к открытию в 1977 году К. Вёзе коренных различий и среди самих прокариот: между бактериями и археями.
Строение
Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны . По форме клеток они могут быть округлыми (кокки), палочковидными (бациллы , клостридии , псевдомонады), извитыми (вибрионы , спириллы , спирохеты), реже - звёздчатыми, тетраэдрическими , кубическими, C- или O-образными. Формой определяются такие способности бактерий, как прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ. Отмечено, например, что олиготрофы , то есть бактерии, живущие при низком содержании питательных веществ в среде, стремятся увеличить отношение поверхности к объёму, например, с помощью образования выростов (т. н. простек).
Из обязательных клеточных структур выделяют три:
С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоёв (клеточная стенка , капсула , слизистый чехол), называемых клеточной оболочкой , а также поверхностные структуры (жгутики , ворсинки). ЦПМ и цитоплазму объединяют вместе в понятие протопласт .
Строение протопласта
ЦПМ ограничивает содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды. Гомогенная фракция цитоплазмы, содержащая набор растворимых РНК , белков , продуктов и субстратов метаболических реакций, названа цитозолем . Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами.
Вся необходимая для жизнедеятельности бактерий генетическая информация содержится в одной ДНК (бактериальная хромосома), чаще всего имеющей форму ковалентно замкнутого кольца (линейные хромосомы обнаружены у Streptomyces и Borrelia ). Она в одной точке прикреплена к ЦПМ и помещается в структуре, обособленной, но не отделённой мембраной от цитоплазмы, и называемой нуклеоид . ДНК в развёрнутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, то есть практически все прокариоты гаплоидны , хотя в определённых условиях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосомы, а Burkholderia cepacia имеет три разных кольцевых хромосомы (длиной 3,6; 3,2 и 1,1 млн пар нуклеотидов). Рибосомы прокариот также отличны от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (80 S у эукариот).
Помимо этих структур, в цитоплазме также могут находиться включения запасных веществ.
Клеточная оболочка и поверхностные структуры
У бактерий существует два основных типа строения клеточной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам.
Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщиной 20-80 нм, построенный в основном из пептидогликана с меньшим количеством тейхоевых кислот и небольшим количеством полисахаридов , белков и липидов (так называемый липополисахарид). В клеточной стенке имеются поры диаметром 1-6 нм, которые делают её проницаемой для ряда молекул.
У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2-3 нм. Он окружён наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривлённую форму. Между ЦПМ, слоем пептидогликана и внешней мембраной имеется пространство, называемое периплазматическим и заполненное раствором, включающим в себя транспортные белки и ферменты .
С внешней стороны от клеточной стенки может находиться капсула - аморфный слой, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру. Однако между этими тремя идеализированными случаями есть множество переходных форм.
Размеры
Размеры бактерий в среднем составляют 0,5-5 мкм . Масса - 4⋅10 −13 г . Escherichia coli , например, имеет размеры 0,3-1 на 1-6 мкм , Staphylococcus aureus - диаметр 0,5-1 мкм , Bacillus subtilis - 0,75 на 2-3 мкм . Крупнейшей из известных бактерий является Thiomargarita namibiensis , достигающая размера в 750 мкм (0,75 мм ). Второй является Epulopiscium fishelsoni , имеющая диаметр 80 мкм и длину до 700 мкм и обитающая в пищеварительном тракте хирурговой рыбы Acanthurus nigrofuscus . Achromatium oxaliferum достигает размеров 33 на 100 мкм , Beggiatoa alba - 10 на 50 мкм . Спирохеты могут вырастать в длину до 250 мкм при толщине 0,7 мкм . В то же время к бактериям относятся самые мелкие из имеющих клеточное строение организмов. Mycoplasma mycoides имеет размеры 0,1-0,25 мкм , что соответствует размеру крупных вирусов , например, табачной мозаики , коровьей оспы или гриппа . По теоретическим подсчётам, сферическая клетка диаметром менее 0,15-0,20 мкм становится неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не могут поместиться все необходимые биополимеры и структуры в достаточном количестве.
При линейном увеличении радиуса клетки её поверхность возрастает пропорционально квадрату радиуса, а объём - пропорционально кубу, поэтому у мелких организмов отношение поверхности к объёму выше, чем у более крупных, что означает для первых более активный обмен веществ с окружающей средой. Метаболическая активность, измеренная по разным показателям, на единицу биомассы у мелких форм выше, чем у крупных. Поэтому небольшие даже для микроорганизмов размеры дают бактериям и археям преимущества в скорости роста и размножения по сравнению с более сложноорганизованными эукариотами и определяют их важную экологическую роль.
Многоклеточность у бактерий
Многоклеточный организм должен отвечать следующим условиям:
- его клетки должны быть агрегированы,
- между клетками должно осуществляться разделение функций,
- между агрегированными клетками должны устанавливаться устойчивые специфические контакты.
Многоклеточность у прокариот известна, наиболее высокоорганизованные многоклеточные организмы принадлежат к группам цианобактерий и актиномицетов . У нитчатых цианобактерий описаны структуры в клеточной стенке, обеспечивающие контакт двух соседних клеток - микроплазмодесмы . Показана возможность обмена между клетками веществом (красителем) и энергией (электрической составляющей трансмембранного потенциала). Некоторые из нитчатых цианобактерий содержат помимо обычных вегетативных клеток функционально дифференцированные: акинеты и гетероцисты . Последние осуществляют фиксацию азота и интенсивно обмениваются метаболитами с вегетативными клетками.
Способы передвижения и раздражимость
Многие бактерии подвижны. Имеется несколько принципиально различных типов движения бактерий. Наиболее распространено движение при помощи жгутиков: одиночных бактерий и бактериальных ассоциаций (роение). Частным случаем этого также является движение спирохет , которые извиваются благодаря аксиальным нитям, близким по строению к жгутикам , но расположенным в периплазме. Другим типом движения является скольжение бактерий , не имеющих жгутиков, по поверхности твёрдых сред и движение в воде безжгутиковых бактерий рода Synechococcus . Его механизм пока недостаточно изучен; предполагается участие в нём выделения слизи (проталкивание клетки) и находящихся в клеточной стенке фибриллярных нитей, вызывающих «бегущую волну» по поверхности клетки. Наконец, бактерии могут всплывать и погружаться в жидкости, меняя свою плотность, наполняя газами или опустошая аэросомы .
Бактерии активно передвигаются в направлении, определяемом теми или иными раздражителями. Это явление получило название таксис . Различают хемотаксис, аэротаксис, фототаксис и др.
Метаболизм
Конструктивный метаболизм
За исключением некоторых специфических моментов биохимические пути, по которым осуществляется синтез белков , жиров , углеводов и нуклеотидов , у бактерий схожи с таковыми у других организмов. Однако по числу возможных вариантов этих путей и, соответственно, по степени зависимости от поступления органических веществ извне они различаются.
Часть из них может синтезировать все необходимые им органические молекулы из неорганических соединений (автотрофы), другие же требуют готовых органических соединений, которые они способны лишь трансформировать (гетеротрофы).
Удовлетворять потребности в азоте бактерии могут как за счёт его органических соединений (подобно гетеротрофным эукариотам), так и за счёт молекулярного азота (как и некоторые археи). Большинство бактерий используют для синтеза аминокислот и других азотсодержащих органических веществ неорганические соединения азота: аммиак (поступающий в клетки в виде ионов аммония), нитриты и нитраты (которые предварительно восстанавливаются до ионов аммония). Фосфор они способны усваивать в виде фосфата , серу - в виде сульфата или реже сульфида .
Энергетический метаболизм
Способы же получения энергии у бактерий отличаются своеобразием. Существует три вида получения энергии (и все три известны у бактерий): брожение, дыхание и фотосинтез.
Бактерии, осуществляющие только бескислородный фотосинтез, не имеют фотосистемы II . Во-первых, это пурпурные и зелёные нитчатые бактерии, у которых функционирует только циклический путь переноса электронов, направленный на создание трансмембранного протонного градиента, за счёт которого синтезируется АТФ (фотофосфорилирование), а также восстанавливается НАД(Ф) + , использующийся для ассимиляции CO 2 . Во-вторых, это зелёные серные и гелиобактерии, имеющие и циклический, и нециклический транспорт электронов, что делает возможным прямое восстановление НАД(Ф) + . В качестве донора электрона, заполняющего «вакансию» в молекуле пигмента в бескислородном фотосинтезе используются восстановленные соединения серы (молекулярная, сероводород, сульфит) или молекулярный водород.
Существуют также бактерии с весьма специфическим энергетическим метаболизмом. Так, в октябре 2008 года в журнале Science появилось сообщение об обнаружении экосистемы, состоящей из представителей одного единственного ранее неизвестного вида бактерии - Desulforudis audaxviator , которые получают энергию для своей жизнедеятельности из химических реакций с участием водорода, образующегося в результате распада молекул воды под воздействием радиации залегающих вблизи нахождения колонии бактерий урановых руд . Некоторые колонии бактерий, обитающие на дне океана, используют для передачи энергии своим собратьям электрический ток .
Типы жизни
Объединить типы конструктивного и энергетического метаболизма можно в следующей таблице:
| Способы существования живых организмов (матрица Львова) | ||||
|---|---|---|---|---|
| Источник энергии | Донор электрона | Источник углерода | Название способа существования | Представители |
| ОВР | Неорганические соединения | Углекислый газ | Хемолитоавтотрофия | Нитрифицирующие, тионовые, ацидофильные железобактерии |
| Органические соединения | Хемолитогетеротрофия | Метанообразующие архебактерии, водородные бактерии | ||
| Органические вещества | Углекислый газ | Хемоорганоавтотрофия | Факультативные метилотрофы , окисляющие муравьиную кислоту бактерии | |
| Органические соединения | Хемоорганогетеротрофия | Большинство прокариот, из эукариот: животные , грибы , человек | ||
| Свет | Неорганические соединения | Углекислый газ | Фотолитоавтотрофия | Цианобактерии , пурпурные , зелёные бактерии , из эукариот: растения |
| Органические соединения | Фотолитогетеротрофия | Некоторые цианобактерии, пурпурные, зелёные бактерии | ||
| Органические вещества | Углекислый газ | Фотоорганоавтотрофия | Некоторые пурпурные бактерии | |
| Органические вещества | Фотоорганогетеротрофия | Галобактерии, некоторые цианобактерии , пурпурные, зелёные бактерии | ||
Из таблицы видно, что разнообразие типов питания прокариот гораздо больше, чем у эукариот (последние способны лишь к хемоорганогетеротрофии и фотолитоавтотрофии).
Размножение и устройство генетического аппарата
Размножение бактерий
Некоторые бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием . Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное деление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящий к образованию от 4 до 1024 новых клеток). Для обеспечения необходимой для эволюции и приспособления к изменчивой окружающей среде пластичности генотипа у них существуют иные механизмы.
Генетический аппарат
Гены, необходимые для жизнедеятельности и определяющие видовую специфичность, расположены у бактерий чаще всего в единственной ковалентно замкнутой молекуле ДНК - хромосоме (иногда для обозначения бактериальных хромосом, чтобы подчеркнуть их отличия от эукариотических, используют термин генофор (англ. genophore )). Область, где локализована хромосома, называется нуклеоид и не окружена мембраной. В связи с этим новосинтезированная мРНК сразу доступна для связывания с рибосомами, а транскрипция и трансляция сопряжены.
Отдельная клетка может содержать лишь 80 % от суммы генов, имеющихся во всех штаммах её вида (т. н. «коллективный геном»).
Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находятся плазмиды - также замкнутые в кольцо ДНК, способные к независимой репликации . Они могут быть настолько велики, что становятся неотличимы от хромосомы, но содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях. Специальные механизмы распределения обеспечивают сохранение плазмиды в дочерних клетках так, что они теряются с частотой менее 10 −7 в пересчёте на клеточный цикл. Специфичность плазмид может быть весьма разнообразной: от присутствия лишь у одного вида-хозяина до плазмиды RP4, встречающейся почти у всех грамотрицательных бактерий. В плазмидах кодируются механизмы устойчивости к антибиотикам , разрушения специфических веществ и т. д., nif-гены, необходимые для азотфиксации, также находятся в плазмидах. Ген плазмиды может включаться в хромосому с частотой около 10 −4 - 10 −7 .
В ДНК бактерий, как и в ДНК других организмов, выделяются транспозоны - мобильные сегменты, способные перемещаться из одной части хромосомы к другой, или во внехромосомные ДНК. В отличие от плазмид, они неспособны к автономной репликации и содержат IS-сегменты - участки, которые кодируют свой перенос внутри клетки. IS-сегмент может выступать в роли отдельной транспозоны.
Горизонтальный перенос генов
У прокариот может происходить частичное объединение геномов. При конъюгации клетка-донор в ходе непосредственного контакта передаёт клетке-реципиенту часть своего генома (в некоторых случаях весь). Участки ДНК донора могут обмениваться на гомологичные участки ДНК реципиента. Вероятность такого обмена значима только для бактерий одного вида.
Аналогично бактериальная клетка может поглощать и свободно находящуюся в среде ДНК, включая её в свой геном в случае высокой степени гомологии с собственной ДНК. Данный процесс носит название трансформация . В природных условиях протекает обмен генетической информацией при помощи умеренных фагов (трансдукция). Кроме этого, возможен перенос нехромосомных генов при помощи плазмид определённого типа, кодирующих этот процесс, процесс обмена другими плазмидами и передачи транспозон.
При горизонтальном переносе новых генов не образуется (как то имеет место при мутациях), однако осуществляется создание разных генных сочетаний. Это важно по той причине, что естественный отбор действует на всю совокупность признаков организма.
Клеточная дифференциация
Клеточная дифференциация - изменение набора белков (обычно также проявляющееся в изменении морфологии) при неизменном генотипе.
Образование покоящихся форм
Образование особо устойчивых форм с замедленным метаболизмом, служащих для сохранения в неблагоприятных условиях и распространения (реже для размножения) является наиболее распространённым видом дифференциации у бактерий. Наиболее устойчивыми из них являются эндоспоры , формируемые представителями Bacillus , Clostridium , Sporohalobacter , Anaerobacter (образует 7 эндоспор из одной клетки и может размножаться с их помощью ) и Heliobacterium . Образование этих структур начинается как обычное деление и на первых стадиях может быть превращено в него некоторыми антибиотиками. Эндоспоры многих бактерий способны выдерживать 10-минутное кипячение при 100 °C, высушивание в течение 1000 лет и, по некоторым данным, сохраняются в почвах и горных породах в жизнеспособном состоянии миллионы лет.
Менее устойчивыми являются экзоспоры , цисты (Azotobacter , скользящие бактерии и др.), акинеты (цианобактерии) и миксоспоры (миксобактерии).
Другие типы морфологически дифференцированных клеток
Актиномицеты и цианобактерии образуют дифференцированные клетки, служащие для размножения (споры, а также гормогонии и баеоциты соответственно). Необходимо также отметить структуры, подобные бактероидам клубеньковых бактерий и гетероцистам цианобактерий, служащие для защиты нитрогеназы от воздействия молекулярного кислорода.
Классификация
Наибольшую известность получила фенотипическая классификация бактерий, основанная на строении их клеточной стенки, включённая, в частности, в IX издание Определителя бактерий Берджи (1984-1987). Крупнейшими таксономическими группами в ней стали 4 отдела: Gracilicutes (грамотрицательные), Firmicutes (грамположительные), Tenericutes (микоплазмы) и Mendosicutes (археи).
В последнее время всё большее развитие получает филогенетическая классификация бактерий (и именно она используется в Википедии), основанная на данных молекулярной биологии. Одним из первых методов оценки родства по сходству генома был предложенный ещё в 1960-х годах метод сравнения содержания гуанина и цитозина в ДНК. Хотя одинаковые значения их содержания и не могут дать никакой информации об эволюционной близости организмов, их различия на 10 % означают, что бактерии не принадлежат к одному роду. Другим методом, произведшим в 1970-е настоящую революцию в микробиологии, стал анализ последовательности генов в 16s рРНК , который позволил выделить несколько филогенетических ветвей эубактерий и оценить связи между ними. Для классификации на уровне вида применяется метод ДНК-ДНК гибридизации . Анализ выборки хорошо изученных видов позволяет считать, что 70 % уровень гибридизации характеризует один вид, 10-60 % - один род, менее 10 % - разные роды.
Филогенетическая классификация отчасти повторяет фенотипическую, так, группа Gracilicutes присутствует и в той и в другой. В то же время систематика грамотрицательных бактерий была полностью пересмотрена, архебактерии и вовсе выделены в самостоятельный таксон высшего ранга , часть таксономических групп разбита на части и перегруппирована, в одни группы объединены организмы с совершенно разными экологическими функциями, что вызывает ряд неудобств и недовольство части научного сообщества. Объектом нареканий становится и то, что проводится фактически классификация молекул, а не организмов.
Происхождение, эволюция, место в развитии жизни на Земле
Бактерии наряду с археями были одними из первых живых организмов на Земле, появившись около 3,9-3,5 млрд лет назад. Эволюционные взаимоотношения между этими группами ещё до конца не изучены, есть как минимум три основные гипотезы : Н. Пэйс предполагает наличие у них общего предка протобактерии, Заварзин считает архей тупиковой ветвью эволюции эубактерий, освоившей экстремальные местообитания; наконец, по третьей гипотезе археи - первые живые организмы, от которых произошли бактерии.
Патогенные бактерии
Патогенными называются бактерии, паразитирующие на других организмах. Бактерии вызывают большое количество заболеваний человека, таких как чума (Yersinia pestis ), сибирская язва (Bacillus anthracis ), лепра (проказа, возбудитель: Mycobacterium leprae ), дифтерия (Corynebacterium diphtheriae ), сифилис (Treponema pallidum ), холера (Vibrio cholerae ), туберкулёз (Mycobacterium tuberculosis ), листериоз (Listeria monocytogenes ) и др. Открытие патогенных свойств у бактерий продолжается: в 1976 обнаружена болезнь легионеров , вызываемая Legionella pneumophila , в 1980-е -1990-е годы было показано, что Helicobacter pylori вызывает язвенную болезнь и даже рак желудка , а также хронический
