Морфология микроорганизмов Занятие №5

[Lux]

Капсула бактерий
Клеточную  оболочку многих бактерий окружает слой аморфного, сильно обводнённого  вещества. Этот покров выполняет важные функции: делает оболочку клетки  (состоящей из клеточной стенки и ЦПМ) более плотной и прочной,  предохраняет бактерии от воздействия бактерицидных факторов,  обеспечивает адгезию на различных субстратах, может содержать запасы  питательных веществ.
Организация капсул бактерий. Основную роль в организации капсул бактерий играет ЦПМ. Выделяют микрокапсулы (выявляемые только при электронной микроскопии в виде слоя мукополисахаридных микрофибрилл) и макрокапсулы (обнаруживают при световой микроскопии). У некоторых бактерий полимеры клеточной оболочки, выделяемые наружу, свободно располагаются вокруг неё, образуя слизистый  слой. Капсулированные бактерии могут превращаться в бескапсульные  варианты и, поскольку первые образуют мукоидные или гладкие (S), а  бескапсульные — шероховатые (R) колонии, это явление известно как S- и  R-диссоциация. Капсула и слизистый слой не препятствуют поступлению и  выходу различных веществ из бактериальной клетки, а также плохо  удерживают красители.
Окраска капсул бактерий. Для облегчения микроскопирования капсулы можно сделать видимыми, проведя негативную окраску мазка по Бурри-Гинсу или Хиссу либо с помощью реакции набухания по Нойфельду (см. ниже).
Состав капсул бактерий. В состав большинства бактериальных капсул входят сложные полисахарид ды. Капсулы также могут содержать соединения азота (например, у пневмококков капсула состоит из полисахаридов, глюкозамина и глюкуроновой кислоты), но могут и не содержать азот (например, капсулы лейконостоков состоят из декстрана, левулана, фруктозана и других полимеризованных моносахаров). Капсулы некоторых болезнетворных бактерий (например, Bacillus anthracis) формируют полисахариды и полипептиды, образованные мономерами D-глутаминовой кислоты. Поскольку D-аминокислоты устойчивы к воздействию протеаз, такая капсула лучше защищает бактерию от ферментативных воздействий фагоцитов.
Антигенные свойства капсул бактерий. Капсульные Аг (К-Аг) многих патогенных бактерий проявляют выраженные иммуногенные свойства (например, вакцины против пневмококковых и менингококковых инфекций готовят из материала капсулы). Связывание AT с капсулой изменяет её светопреломляющие характеристики, вызывая кажущееся  набухание капсулы, видимое при соответствующих условиях освещения под  микроскопом и известное как реакция Нойфельда.
Клеточная стенка бактерий. Функции клеточной стенки.
Основные функции клеточной стенки следующие.
• Клеточная стенка защищает бактерии от внешних воздействий, придаёт им характерную форму, поддерживает постоянство внутренней среды и участвует в делении.
• Через клеточную стенку бактерий осуществляется транспорт питательных веществ и выделение метаболитов,
• На поверхности клеточной стенки располагаются рецепторы для бактериофагов, бактериоци-нов и различных химических веществ.
• Структура и состав элементов клеточной стенки определяет антигенную характеристику бактерий (по структуре О- и Vi-Аг).
• Клеточная стенка способна по-разному воспринимать красители; на этом основаны тинкториальные свойства бактерий.
• Нарушение синтеза компонентов клеточной стенки приводит к гибели бактерии или образованию 1-форм.
 Пептидогликан. Муреиновый мешок. Структура пептидогликана (муреина) Опорный каркас клеточной стенки бактерий — пептидогликан (муреин) — гетерополимер, состоящий из повторяющихся дисахаридных групп, соединённых поперечными и боковыми цепочками (рис. 4-3). Остов молекулы пептидогликана — дисахарид. Его образуют N-ацетилглюкозамин и N-ацетилмурамовая кислота, соединённые через р-гликозидные связи. К молекуле N-ацетилмурамовой кислоты присоединяются олигопептиды, образующие боковые цепочки.
Связывание фрагментов пептидогликана заключается в образовании пептидной связи между терминальным остатком аминокислотного мостика (D-аланином) с предпоследним остатком примыкающего аминокислотного мостика (L-лизином или диаминопимелиновой кислотой в зависимости от вида бактерии). Боковые мостики образуют четыре аминокислоты, поперечные (вертикально связывающие слои пептидогликана) — пять аминокислот. В состав боковых мостиков также входят уникальные аминокислоты, присутствующие только у прокариотов, например диаминопимелиновая кислота (у большинства грамотрицательных бактерий) и D-изомеры глутаминовой кислоты и аланина. Эти соединения — «ахиллесова пята» бактерий, так как препараты, ингибирующие синтез компонентов клеточной стенки, обычно безвредны для растений и животных.
Пептидогликан лабилен к действию различных агентов. В частности, лизоцим гидролизует пептидогликан, расщепляя гликозидные связи между N-ацетилглюкозамином и N-ацетилмурамовой кислотой, то есть лизоцим действует как N-ацетилмурамидаза. Пептидазы расщепляют межпептидные связи, амидазы — связи между N-ацетилмурамовой кислотой и боковым пептидом (L-аланином). Лизостафин разрушает поперечные мостики пептидогликанов стафилококков. В-Лактамные антибиотики нарушают связывание боковых мостиков.
Гетерополимерные пептидогликановые цепочки, соединённые пептидными связями, образуют гигантскую мешковидную макромолекулу («муреиновый мешок»), покрывающую всё тело бактерии. На поверхности «муреинового мешка» и в его толще располагаются различные вещества, характер и содержание которых лежит в основе разделения бактерий на грамположительные и грамотрицателъные (рис. 4-4).
 Микроворсинки бактерий. Фимбрии бактерий. F-пили ( секс-пили ) бактерии. Клеточная оболочка бактерий. Гликокаликс.
Помимо жгутиков,  поверхность многих бактерий покрыта цитоплазматическими выростами  — микроворсинками. Обычно это волоски (числом от 10 до нескольких тысяч)  толщиной 3-25 нм и длиной до 12 мкм. Микроворсинки встречают как у  подвижных, так и у неподвижных бактерий. Эти выросты способствуют  увеличению площади поверхности бактериальной клетки, что дает ей  дополнительные преимущества в утилизации питательных веществ из  окружающей среды. Известны специализированные микроворсинки — фимбрии  и пили.
Фимбрии бактерий [от лат. fimbria, бахрома]. Многие грамотрицательные  бактерии имеют длинные и тонкие микроворсинки, пронизывающие клеточную  стенку. Образующие их белки формируют спиралевидную нить.  Основная функция фимбрии   
 Клеточная оболочка бактерий бактерий клеточная оболочка состоит из клеточной стенки и находящейся  под ней ЦПМ. С долей условности клеточную оболочку можно назвать живой  кожей бактерий в противоположность мёртвому веществу капсулы. Клеточную  оболочку можно сравнить с тонкой и эластичной, но в то же время прочной  покрышкой футбольного мяча. Как мячу придаёт упругость хорошо накачанная футбольная камера, так и клеточной стенке бактерий дополнительную упругость придаёт внутреннее (тургорное) давление цитоплазмы, способное достигать у грамположительных бактерий 30 атм. Некоторые бактерии в качестве наружного слоя клеточной стенки дополнительно имеют внешнюю мембрану-гликокаликс. Гликокаликс
 Жгутики  бактерий. Расположение жгутиков. Перитрихи. Монотрихи. Политрихи.  Лофотрихи. Амфитрихи. Феномен роения. Диагностика подвижности бактерий. —  прикрепление бактерий к субстратам (например, к поверхности слизистых  оболочек), что делает их важным фактором колонизации и патогенности. [от  греч. gfykys, сладкий, + kalyx, раковина] образован переплетением  полисахаридных волокон (декстраны и леваны). Его не обнаруживают при  выращивании на искусственных питательных средах. Основная функция  гликокаликс а — адгезия к различным субстратам. Например, благодаря  гликокаликс у Streptococcus mutatis способен прочно прикрепляться к  зубной эмали.У большинства
 
F-пили  бактерий [от англ. fertility, плодовитость, + лат. pilus, волосок], или  «секс-пили», — жёсткие цилиндрические образования, участвующие в  конъюгации бактерий. Пили впервые обнаружены у Escherichia coli K12, то  есть у штаммов, содержащих F-фактор (см. тему «Плазмиды»). Обычно клетка  снабжена 1-2 пилями, имеющими вид полых белковых трубочек длиной 0,5-10  мкм; нередко они имеют шаровидное утолщение на конце.  Большинство F-пилей образует специфический белок — пилин. Образование  пилей кодируют плазмиды. Их идентифицируют с помощью донорспецифических  бактериофагов, адсорбирующихся на пилях и лизирующих клетки.
 
По характеру движения подвижные бактерии разделяют на плавающие и скользящие(ползающие). Орган движения плавающих бактерий — жгутики; подвижность скользящих бактерий обеспечивают волнообразные сокращения тела.
Расположение жгутиков — характерный признак, имеющий таксономическое значение. Варианты расположения жгутиков приведены на рис. 4-1. У некоторых бактерий жгутики расположены по всей поверхности клеточной стенки (например, у бактерий рода Proteus), такие бактерии известны как перитрихи [от греч. peri-, вокруг, + trichos, волос]. Некоторые бактерии снабжены только одним толстым жгутиком (например, представители рода Vibrio), они известны как монотрихи. Политрихи — бактерии, имеющие одиночный по виду жгутик, образованный пучком из 2-50  жгутиков. Полярные жгутики прикреплены к одному или обоим концам бактерии. Монополярно-политрихиальное расположение жгутиков имеют лофотрихи [от греч. lophos, пучок, + trichos, волос], к ним, например, относят представителей рода Pseudomonas. Биполярно-политрихиальное жгутикование имеют амфитрихи [от греч. amphi-, двусторонний, + trichos, волос] (например, бактерии рода Spirillum).
Рис. 4-1. Варианты расположения жгутиков (вверху) и движений бактерий (внизу).
Жгутик — спирально изогнутая полая нить, образованная субъединицами  флагеллина. У разных бактерий толщина жгутиков варьирует от 12 до 18 нм,  что составляет не более 1/10 диаметра жгутиков водорослей и простейших.  Жгутики также различают по длине и диаметру витка. Место прикрепления  жгутика к бактериальной клетке имеет сложное строение и состоит из  базальной структуры и так называемого «крюка» (рис. 4-2). У  грамположительных бактерий в состав базальной структуры входит одна  пара, а у грамотрицательных бактерий — две пары колец. Кольца играют  роль «приводного диска» и «подшипника». Вся конструкция выполняет  функцию хемомеханического преобразователя (флагеллиновый мотор). У  спирохет за движение ответственна особая органел-ла — осевая нить,  состоящая из двух рядов бактериальных жгутиков, расположенных продольно  внутри клетки.
Бактериальные жгутики совершают поступательные и вращательные движения, проталкивая бактерии через среду подобно корабельному винту. Они также могут изменять направление вращения и тянуть клетку подобно пропеллеру. Скорость обратного движения в четыре раза меньше скорости поступательного движения. Некоторые перитрихи могут перемещаться по поверхности агара, то есть плавающие бактерии способны к передвижению по поверхности твёрдых сред. В частности, Proteus vulgaris распространяется по поверхности агара, образуя тонкий налёт (напоминающий таковой при выдохе на холодное стекло), а неподвижные штаммы протея лишены такой способности. Это явление получило название «феномен роения», а наблюдение за ним легло в основу некоторых понятий бактериальной серодиагностики. Так, жгутиковые Аг называют Н-Аг [от нем. Hauch, выдох, налёт], а Аг клеточной поверхности — О-Аг [от нем. фпе Hauch, без налёта1.
Рис. 4-2. Схема строения бактериального жгутика. БС — базальная структура, ВМ — внешняя мембрана, ЦПМ — цитоплазматическая мембрана, Р — ротор, О — ось, КО — кольцо жгутикового мотора, КР — крюк, С — цилиндрики-соединители, Н — нить жгутика, Ш — шапочка.
Способность бактерий к целенаправленному движению генетически обусловлена. Например, у Escherichia coli в регуляцию этого процесса вовлечено 3% генома (приблизительно 50 генов). Эти гены кодируют белки, образующие локомоторный аппарат, а также белки и ферменты, участвующие в преобразовании сигналов. Для жгутикового аппарата характерна периодическая изменчивость. Во многом этот процесс носит адаптивный характер и наиболее выражен у патогенных микроорганизмов. В частности, некоторые бактерии выработали систему вариабельности антигенных характеристик жгутиков, позволяющую им на какое-то время избегать направленных эффектов защитных иммунных механизмов.
 Лабораторная диагностика подвижности бактерий Подвижность бактерий определяют микроскопией препаратов в «раздавленной» или «висячей» капле. Способность к движению можно определять также после внесения культуры бактерий уколом в столбик полужидкого агара (подвижные виды растут по всей толще среды, неподвижные — по уколу) или посевом бактерий в водный конденсат скошенного столбика агара (подвижные виды переплывают из конденсата на поверхность среды и колонизируют её), либо определяют способность бактерий давать «феномен роения».