Бактер. клетка окружена внешней оболочкой, кот. состоит из капсулы, капсулоподобной оболочки и клеточной стенки. От их состава зависят тинкториальные свойства. Капсулы бывают: микро-и макрокапсулы.
Микрокапсулы- это микрофибриллы из мукоподисахаридов, кот. Тесно прилегают к клеточной стенке.
Макрокапсулы – выраженный слизистый слой, кот.снаружи покрывает клеточную стенку.Состоит из полисахаридов. Макрокапсула у немногих видов патогенных микроорганизмомв – пневмококки
Капусулоподобная оболочка- липидо-полисахаридное оьразование, непрочно связанное с поверхностью клетки, может выделятся в окруж.среду
Функции капсулы: защитная, адгезивная. С ней могут быть связаны патогенные и адгезивные свойства. Капсула – окраска по Бури-Гинсу
Жгутики – располагаются на поверхности клеток. В состав входит белок флагелин (Сократ.белок). Жгутики прикрепляются к базальному телу(система нескольких дисков, вмонтированных в цитоплазмат.мембрану и КС)
Монотрихи – 1 жгутик на одном из полюсов
Амфитрихи – жгутики на обоих полюсах
Лофотрихи – пучок жгутиков
Перитрихи –по всей поверхности.
Обладают антигенными свойствами.
Функция – локомоторная
Пили – тонкие полые нити белковой природы, покрыв. Поверхность клеток. Не выполн. локомоторную функцию
Пили 1 общего типа обеспечивают адгезию бактерий к определенным клеткам организма хозяина
Пили2 типа (половые – sex pili ) участвуют в коньюгации бактерий
8.Споры и спорообразование. Хим.состав и функц.значение спор. Методы выявления. Патогенные представители
Споры – форма сохранения наследств.информации бактериальной клетки в неблагоприятных условиях внешней среды. К патогенным представителям относятся bacillus и clostridium. Выявляются окраской по Пешкову и Ожешко. Отличие – по размеру спор.
Располагаются споры: центрально, субтерминально или терминально.
Процесс спорообразования:
Формируется спорогенная зона вокруг бактре.клетки (т.е.уплотненный участок цитоплазмы, внитри кот. - нуклеоид)
Затем образуется проспора путем отделения спорогенной зоны от остальной части цитополазмы (т.е.врастанием цитоплазмы)
Образование кортекса (сост.из пептидогликана)
Внешняя сторона мембраны покрывается плотной капсулой, сост.из белков, липидов, дипиколиновой кислоты(обуславл.термоустойчивость)
Затем вегет.часть клетки отмирает, а спора может сохранятся во внешней среде месяцами и годами(т.е. в нец малое содежрание воды, повыш.концентрация кальция)
При благприятн.условиях спора набухает, активируются ферменты, запускается метаболизм – образуется вегетат.клетка
Споры- это таксономический признак
23.Мутации, их классификации. Мутагены физические, химические, биологические. Молекулярный муханизм мутации(делеция, дупликация, инверсия). Репарации и их значение. Роль мутаций.Мутации - изменения в первичной структуре ДНК, которые выражаются в наследственно закрепленной утрате или изменении какого-либо признака.Их можно классифицировать по происхождению, характеру изменений в первичной структуре, Фенотипическим следствиям для мутировавшей бактериальной клетки.По происхождению делят на спонтанные и индуцированные.Первые составляют естественный фон, величина которого колеблется в зависимости от типа мутации и вида микробной популяции. Мутации происходят в результате ошибочного включения в синтезируемую дочернюю цепь вместо одного азотистого основания другого некомплементарного имеющегося в родительской цепи. Причиной изменения естественного фона могут быть инсертационные мутации, которые возникают при встраивании в хромосому микробной клетки Is-последовательностей, транспозонов и плазмид. При этом фенотип мутации зависит от места их интеграции: если она происходит вблизи промотора, то нарушается ф-я регуляторного гена, а вблизи структурного гена- синтез закодированного в нем продукта. Индуцированные мутации- получают в эксперементе под влиянием каких-либо мутагенов.По к-ву мутировавших генов:Генные и хромосомные . Первые затрагивают один ген и чаще всего являются точковыми, вторые распростроняются на несколько генов. ТОчковые – замена или вставка пары азотистых оснований в ДНК, которая приводит к изменению одного кодона, вследствие вместо одной АК кодируется другая либо образуется бессмысленный кодон, не кодирующий ни одну из АК(нонсенс мутации). Мутации со вставками или выпадением 1 пары азотистых оснований ведут к изменению всех последующих кодонов- мутации со сдвигом считывания. У микроорганизма, несущего точковую мутацию в 1 гене может возникнуть вторичная мутация в этом же гене, в результате произойдет восстановление дикого фенотипа, при этом первичную мутацию называют прямой, а вторичную- обратной.При истинной реверсии восстанавливается не только фенотип, но и генотип. Восстановление одного фенотипа может произойти в результате супрессии т.е. подавления мутанного фенотипа, который выражается в исправлении мутационного изменения. При внегенной супрессии вторичные мутации, подавляющие выражение первичного мутационного изменения, локализованы в генах- супрессорах, кодирующих синтез т-РНКХромосомные мутации –крупные перестройки в отдельных фрагментах ДНК, возникают в результате выпадения меньшего или большего числа нуклеотидов(делеция), либо поворота участка ДНК на 180 град. (инверсия), либо повторение фрагмента ДНК(дупликация). Один из механизмов образования хромосомных мутаций связан с перемещением Is-последовательностей и транспозонов из одного участка ДНК в другой или из репликона в репликон.По фенотипическим последствиям делят на: нейтральные, условно-летальные, летальныеНейтральные - фенотипически не проявляются изменением признаков, поскольку они заметно заметно не отражаются на функциональной активности синтезируемого фермента. Условно-летальные - приводят к изменению, но не к утрате функциональной активности фермента.Летальные- полная утрата способности синтезировать жизненоважные ферменты. Чаще всего возникают при обширных делециях, захватывающих группу генов. В фенотипе проявляются в виде утраты или изменения морфологических и биохимических признаков(жгутиков, пилей. Капсул, способности ферментировать углеводы. Синтезировать АК, витамины. Мутанты, нуждающиеся в определенных АК, азотистых основаниях назыв.Аукострофными.К мутагенам относят химические в-ва или физические факторы(УФ- лучи, радиация), вызывающие предмутационные повреждения в отдельном фрагменте ДНК, которые переходят в мутацию в результате ошибок в работе реперирующих ферментов или в процессе репарации. Действие одних приводит к изменениям первичной структуры ДНК, путем замены пар оснований. При воздействии азотистой кислоты, вызывающей дезаминирование азотстых оснований, цитозин превращается в урацил, а аденин в гипоксантин. Другие мутагены, например акридиновые красители, непосредственно комплексируются с ДНК, вызывая выпадение или вставки оснований. Третьи мутагены-нитрозосодержащие, обладают множественным эффектом, вызывая при этом высокую частоту мутаций, за что получили название супермутагенов. Из физических факторов для индукции мутаций чаще всего используют УФ- облучение, которое приводит к образованию тиминовых димеров в ДНК, т.е. прочных связей между соседними тиминами в одной цепи, которые препятствуют работе ДНК-азы, нарушая процесс репликации ДНК. Мтагены не обладают специфическим действием, так как они могут вызвать изменения в любом гене, содержащемся в геноме микробной клетки. Некоторые химиотерапевтические препараты также обладают мутагенным действием. А\Б не являются мутагенными, однако при воздействии на метаболизм НК бактерий некоторые могут вызывать предмутационные повреждения.Клеточный геном (ДНК) не является пассивной мишенью, подвергаемой действию мутагенных факторов, они обладают специальными системами, восстанавливающими повреждения генетического материала. Эти сис-мы – репарационные, а сам процесс восстановления клеточного генома- репарации. Способность бактериальных клеток к репарациям обусловливает относительную стабильность их ДНК. Репарация поврежденной ДНК осуществляется ферментами, образование которых контролируется специальными генами. Ф-и ферментов- установление места повреждения ДНК, его вырезание, синтез поврежденных фрагментов на матрице сохранившейся нити ДНК. Одна из систем, восстанавливающая повреждения ДНК, вызванные УФ- лучами названа сис-мой фотореактивации. Ферменты действуют в присутствии видимого света и осуществляют расщепление тиминовых димеров, превращающей их мономерные формы. Активность другой системы обеспечивается ферментами, действующими в отсутствии видимиги света- сис-ма темновой репарации, которую делят на дорепликативную и пострепликативную.Процесс дорепликативной репарации: 1. Обнаружение и надрезание поврежденного фрагмента ДНК эндонуклеазой; 2. Удаление вырезанного фрагмента ДНК-полимеразой Ι; 3. Синтез нуклеотидов по матрице второй сохранившейся нити либо ДНК-полимеразой Ι, либо ДНК- полимеразой ΙΙΙ; 4.сшивание восстановительного фрагмента ДНК с основной нитью, осуществляемое лигазой.Мутанты, утратившие способность к темновой репарации репарируются сис-мой пострепликативной репарации путем рекомбинаций. SOS- репарация является индуцибельным процессом, который происходит при множественных изменениях в ДНК, она имеет несколько сис-м активации. Низкая и средняя сис-мы- происходят быстро, при высокой наблюдается разрушение хромосомы, амплификация плазмиди переход интегративной фаговой инфекции в продуктивную- происходит гибель клетки, но осуществляется спасение маркеров для бактериальной популяции. Репарирующие сис-мы способны восстанавливать повреждения клеточного генома, вызванного радиацией. Дефекты этих сис-м –причины ряда заболеваний.
24. Генетические рекомбинации к бактерий. Трансформация. Трансдукция. Конъюгация. Их роль в эволюции микроорганизмов.Генетические рекомбинации определяют способом размножения и закономерности передачи генетического материала. У клеток эукариот они осуществляются в ходе процессов, сопровождающих половое размножение путем реципрокного (взаимного) обмена фрагментами хромосом. При таком обмене из 2-х рекомбинирующих родительских хромосом образуются 2 рекомбинантные хромосомы. Прокариотам не свойственно половое размножение. Рекомбинация у них происходит в результате внутригеномных перестроек, заключающихся в изменении локализации генов в пределах хромосомы, или при проникновении в клетку реципиента части ДНК донора. Последнее приводит к формированию неполной зиготы- мерозиготы., в которой образуется только один рекомбинатРекомбинации делят на законные и незаконные. Законная рекомбинация требует наличия протяженных, комплементарных участков ДНК в рекомбинируемых молекулах. Она происходит только между близкородственными видами микроорганизмов. Незаконная – не требует наличия протяженных, комплементарных участков ДНК, она происходит при участии IS-элементов, которые имеют «липкие концы», обеспечивающие их быстрое встраивание в бактериальную хромосому. Практическое значение имеют запрограммированные внутригеномные рекомбинации, при которых происходит только изменение локализации имеющихся генов, что играют важную роль в изменении антигенной структуры микроорганизмов, эффективно противостоят факторам иммунной системы. Генетические рекомбинации происходят за участием ряда ферментов. Существую специальные rec-гены, детермирующие рекомбинационную способность бактерий. Передача генетического материала(хромосомных генов) от одних бактерий к другим происходит путем трансформации, трансдукции и конъюгации, а плазмидных генов- путем трансдукции и конъюгации.Трансформация- непосредственная передача генетического материала донора реципиентной клетке. Впервые воспроизведена в опытах с авирулентным бескапсульным штаммом пневмококка, который приобрел вирулентные свойства. Феномен трансформации воспроизводится в опытах с разными патогенными и непатогенными бактериями: стрептококками, менингококками. С донорной ДНК в реципиентную клетку обычно передается только один ген, это связано с протяженностью трансформирующего фрагмента ДНК, который может проникнуть в реципиентную клетку(вкл. Один или несколько сцепленных генов). Эффективно трансформация происходит в опытах с бактериями одного и того же вида, имеющих разный генотип. Трансформирующему действию ДНК поддаются не все. А только част клеток бактериальной популяции.Клетки, способные воспринимать донорную ДНК- компетентные. Состояние компетентности возникает в определенный период роста бактериальной культуры, совпадающий с концом логарифмической фазы. В результате- клеточная стенка становится проницаемой для высокополимерных фрагментов ДНК. Это связано с тем, что трансформируемый фрагмент ДНК связывается с белком, образуя трансфосому, в которой он переносится в бактериальную клетку Фазы трансформации: 1. Адсорбция ДНК- донора на клетке- реципиенте.2. проникновение ДНК внутрь клетки- реципиента;3. Соединение ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией. После проникновения внутрь клетки трансформирующая ДНК деспирализируется. Затем происходит физическое включение 2-х нитей ДНК донора в геном реципиента Трансдукция - передача генетического материала от одних бактерий другим с помощью фагов. Делят на неспецифическую, специфическую и абортивную трансдукции. Неспецифическая- происходит в процессе репродукции фага в момент сборки фаговых частиц в их головку вместе с фаговой ДНК, когда может проникнуть какой-либо фрагмент ДНК бактоерии- донора, при этом фаг может утратить часть своего генома и стать дефектным. При немпецифической трансдукции в клетке реципиентного штамма вместе с фаговой ДНК могут быть перенесены любые гены донора, например гены контролирующие способность синтезировать АК, пурины, пиримидины, гены резистентности к а/б.Таким образом при неспецифической трансдукции трансдуцирующие фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, так кА сама фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинатов. Специфическая трансдукция характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерий- донора к бактерии –реципиенту, это связано с тем, что образование трансдуцирующего фага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме клетки-донора рядом с профагом. При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии- реципиента. Абортивная трансдукция- при ней, принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии- донора не включается в хромосому бактерии- реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из 2-х дочерних клеток, т.е. наследоваться однолинейно и в конечном итоге утрачивается в потомстве.Конъюгация- перенос генетического материала из клетки- донора в клетку реципиента при их скрещивании. Донорами генетческого материала являются клетки, несущие F- плазмиду(половой фактор). Бактериальные клетки, не имеющие F- плазмиды, не способны быть генетическими донорами, они являются реципиентами генетического материала и обозначаются F¯ клетки. При скрещивании F¯ клетки с F⁺ половой фактор передается независимо от хромосомы донора с высокой частотой- все реципиентные клетки получают половой фактор и становятся F¯ клетки. Важнейшим свойством F- плазмиды является способность включатся в определенные участки бактериальной хромосомы и становится ее частью. В некоторых случаях F- плазмида освобождается из хромосомы, захватывая при этом сцепленные с ней бактериальные гены. Первым этапом является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок, затем между обеими клетками образуется конъюгационный мостик, через который из клетки- донора в клетку- реципиент могут передаваться F- фактор и др. плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии. Для переноса бактериальной хромосомы необходим разрыв одной из цепей ДНК, который происходит в месте включения F- плазмиды при участии эндонуклеазы, т.е. при конъюгации передается только одна нить ДНК-донора, а 2-я, оставшаяся комплементарная, цепь достраивается в реципиентной клетке.
25.Микробиологические основы генетической инженерии и биотехнологии. Конструирование геннно- инженерных штаммов с заданными свойствами, их использование в получении вакцин . Развитие молекулярной генетики стало мощным стимулом для исследований, посвященных изучению молекулярно-генетических основ патогенности и иммуногенности, механизмов образования новых биологических вариантов патогенных и условно-патогенных микрооранизмов, распространением антибиотико- резистентных штаммов на фоне расширяющегося арсенала химиотерапевтических средств. Достижения генной инженетии позволяют создать новые генетические элементы из нуклеотидных последовательностей, несущие заданную информацию, способы их переноса в клетки про- и эукариотов.Новые генетические элементы представляют собой рекомбинантные молекулы ДНК, которые включают 2 компонента: вектор- переносчик и клонированную «чужеродную» ДНК. Вектор должен обладать свойствами репликона и обеспечить репликацию вновь созданной рекомбинантной молекулы. Поэтому, в качестве вектора используют такие репликоны как плазмиды, умеренные фаги, вирусы животных, имеющие циркулярную замкнутую структуру ДНК. Клонируемая ДНК- фрагмент ДНК, несущий необходимый ген, контролирующий синтез нужного продукта. Сейчас разработаны различные технологические приемы создания рекомбинантных молекул, например- обработка выделенных молекул ДНК вектора и ДНК, несущей нужный ген, ферментами рестриктазами, атакующими взятые молекулы ДНК в строго определенном участке. Некоторые рестриктазы расщепляют молекулы ДНК сообразованием однонитевых комплементарных друг другу концов(липких концов).Этапы: 1. Разрезание молекулы ДНК с помощью эндонуклеаз рестрикции; 2. Обработка полученных линейных молекул ферментом полинуклещтидлигазой, которая сшивает 2 разные молекулы в одну рекомбинантную; 3. Введение рекомбинантных молекул методом трансформации в клетки Е.соΙİ.
Ворсинки или пили (фимбрии от англ. fimbria – бахрома), – тонкие полые нити белковой природы, более тонкие и короткие (3-10 нм х 0,3-10 мкм), чем жгутики . Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина. Они обладают антигенной активностью. По своему функциональному назначению пили подразделяются на несколько типов.
Пили 1-го типа, или общего типа – common pili – пили, ответственные за адгезию, т.е. за прикрепление бактерий к поражаемой клетке. Они начинаются на ЦПМ и пронизывают клеточную стенку . Их количество велико – от нескольких сотен до нескольких тысяч на одну бактериальную клетку. Бактериальные и эукариотические клетки заряжены отрицательно, но поверхностные микроворсинки снижают заряд бактерии и уменьшают электростатические силы отталкивания. Кроме того, увеличение площади поверхности бактериальной клетки дает ей дополнительные преимущества в утилизации питательных веществ окружающей среды.
Пили 2 типа (половые, F-пили, конъюгативные – sex pili) участвуют в конъюгации бактерий, обеспечивающей перенос части генетического материала от донорской клетке к реципиентной. Они имеются только у бактерий-доноров в ограниченном количестве (1-4 на клетку), более длинные (0,5-10 мкм). Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми «мужскими» сферическими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях.
Жгутики и пили бактерий. Электронная микроскопия. (Атлас по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии / Под ред. А.А. Воробьева, А.С. Быкова – М.: Медицинское информационное агентство, 2003.-236 с.).
Escherichia coli. Электронная микроскопия. Адсорбция фага ms2 на f-пили. х100000.«Авакян А.А., Кац Л.Н., Павлова И.Б. Атлас анатомии бактерий, патогенных для человека и животных. М «Медицина».-1972.-183 с.»
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. 24. У маслянокислых бацилл споры образуются в центре, придавая им вид веретена. У столбнячных палочек — на концах, придавая им вид барабанных палочек.
Извитые бактерии
Не более одного оборота имеют изгиб клетки . Несколько (два, три и более) — кампилобактерии. Спирохеты имеют своеобразный вид, который отображен в их названии — «спира» — изгиб и «хатэ» — грива. Лептоспиры («лептос» — узкий и «спера» — извилина) представляют собой длинные нити с тесно расположенными завитками. Бактерии напоминают извитую спираль.
Рис. 27. На фото бактериальная клетка спиралеподобной формы — возбудитель «болезни укуса крыс».
Рис. 28. На фото бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.
Рис. 29. На фото бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.
Булавовидные
Булавовидную форму имеют коринебактерии — возбудители дифтерии и листериоза. Такую форму бактерии придает расположение метахроматических зерен на ее полюсах.
Рис. 30. На фото коринебактерии.
Подробно о бактерияx читай в статьях:
Бактерии живут на планете Земля более 3,5 млрд. лет. За это время они многому научились и ко многому приспособились. Суммарная масса бактерий огромна. Она составляет около 500 миллиардов тонн. Бактерии освоили практически все известные биохимические процессы. Формы бактерий разнообразны. Строение бактерий за миллионы лет достаточно усложнилось, но и сегодня они считаются наиболее просто устроенными одноклеточными организмами.
На клеточной поверхности многих прокариот имеются структуры, определяющие способность клетки к движению в жидкой среде. Это - жгутики . Их число, размеры, расположение, как правило, являются признаками, постоянными для определенного вида, и поэтому учитываются при систематике прокариот. Однако накапливаются данные о том, что количество и расположение жгутиков у одного и того же вида могут в значительной степени определяться условиями культивирования и стадией жизненного цикла, и, следовательно, не стоит переоценивать таксономическое значение этого признака.
Если жгутики находятся у полюсов или в полярной области клетки, говорят об их полярном или субполярном расположении , если вдоль боковой поверхности, говорят о латеральном расположении .
Жгутики представляют собой длинные отростки , которые отходят от одного (монотрихи, лофотрихи) или обоих (амфитрихи) полюсов бактериальной клетки либо распределены по всей ее поверхности (перитрихи). Как и фимбрий, жгутики состоят из полимеризованных или плотно уложенных белковых субъединиц , которые придают им жесткую спиралеобразную форму и обусловливают серологические отличия разных видов бактерий.
У некоторых спирохет, например, Treponema pallidum и Borrelia burgdorferi, продольно расположенные жгутики собраны в осевую нить. Благодаря этому образованию, спирально охватывающему клетку, спирохеты могут активно передвигаться при помощи вращательных движений. Некоторые бактерии могут перемещаться по субстрату без видимых двигательных структур.
В зависимости от числа жгутиков и их локализации на поверхности клетки различают:
- монополярные монотрихи(один жгутик прикреплен к одному полюсу клетки;
- монополярные политрихи(пучок жгутиков расположен на одном полюсе клетки), биполярные политрихи (на каждом полюсе - по пучку жгутиков;
- перитрихи(многочисленные жгутики расположены по всей поверхности клетки или вдоль ее боковой поверхности.
В последнем случае число жгутиков может достигать 1000 на клетку.
Обычная толщина жгутика - 10-20 нм, длина - от 3 до 15 мкм. У некоторых бактерий длина жгутика может на порядок превышать диаметр клетки. Как правило, полярные жгутики более толстые, чем перитрихиальные.
Жгутик представляет собой относительную жесткую спираль , обычно закрученную против часовой стрелки. Вращение жгутика также осуществляется против часовой стрелки с частотой от 40 до 60 об/с, что вызывает вращение клетки, но в противоположном направлении. Поскольку клетка намного массивнее жгутика, она вращается со значительно меньшей скоростью - порядка 12-14 об/мин. Вращательное движение жгутика преобразуется также в поступательное движение клетки, скорость которого в жидкой среде для разных видов бактерий составляет от 16 до 100 мкм/с.
Изучение строения жгутика под электронным микроскопом обнаружило, что он состоит из трех частей. Основную массу жгутика составляет длинная спиральная нить (фибрилла), у поверхности клеточной стенки переходящая в утолщенную изогнутую структуру - крюк . Нить с помощью крюка прикреплена к базальному телу, вмонтированному в ЦПМ и клеточную стенку. 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 дополнительно покрыт чехлом особого химического строения или же являющимся продолжением клеточной стенки и, вероятно, построенным из того же материала.
К поверхностным структурам бактериальной клетки относятся также фимбрии (пили, реснички, ворсинки) - жесткие прямые полые нити из белка пилина, локализованые на КС. Фимбрии короче и тоньше жгутиков: их диаметр 3–20 нм, длина 0,2–10,0 мкм.
Фимбрии - необязательная клеточная структура, так как и без них бактерии хорошо растут и размножаются. В отличие от жгутиков, фимбрии не выполняют двигательную функцию и обнаружены у подвижных и неподвижных форм. По своему функциональному назначению фимбрии подразделяются на 2 типа. Термин «фимбрии» чаще используется для обозначения общих пили, а термин «пили» - для обозначения секс-пили.
Фимбрии 1 (общего) типа имеются у большинства бактерий. Они покрывают всю поверхность клетки, располагаются перитрихиально или полярно. Количество фимбрий велико - от нескольких сотен до нескольких тысяч на одну бактериальную клетку. Синтез фимбрий контролируется бактериальной хромосомой, утрата фимбрий приводит к их новому синтезу.
Покрывая всю клетку, фимбрии создают ворсистую поверхность. Иногда фимбрии сливаются в комки, придавая неопрятный вид клетке; в других случаях поверхность клеток покрыта войлокообразным чехлом, состоящим из сплетений тонких нитей.
Пили 2 типа (синонимы: конъюгативные, половые, секс-пили) образуются только мужскими клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F, R, Col), в ограниченном количестве (1–4 на клетку), имеют терминальные вздутия.
Функции фимбрий .
Фимбрии обоих типов:
- Обладают антигенной активностью.
- На них адсорбируются бактериофаги (специфические вирусы бактерий).
- Адгезивная функция: обеспечивают прикрепление бактерий к клеткам слизистых оболочек организма хозяина и к другим субстратам (клеткам растений, грибов, неорганическим частицам и органическим остаткам).
- Механическая защита бактериальной клетки. Придают бактериям свойство гидрофобности и способствуют объединению клеток в группы.
- Увеличивают всасывательную поверхность клетки бактерий, участвуют в процессах питания, водно-солевого обмена и в транспорте метаболитов.
Половые пили: F–пили обеспечивают конъюгацию - передачу части генетического материала от донорской клетки к реципиентной.
Пили представляют собой внеклеточные белковые структуры, которые осуществляют самые разнообразные функции, включая обмен ДНК адгезию и образование биофильма клетками прокариот
Многие адгезивные пили собираются с участием системы шаперон-Usher-белок. Сборка происходит на наружной мембране с участием Usher-белка, образующего пору, сквозь которую проходят субъединицы пили, и шаперона периплазмы, способствующего их скручиванию и прохождению через пору
Жгутики представляют собой внешние структуры клетки, которые служат пропеллерами, обеспечивающими ее движение
У прокариот жгутики состоят из множественных сегментов, каждый из которых образуется при сборке белковых субъединиц
От поверхности прокариотической клетки отходят два типа придаточных структур, пили и жгутики . Пили представляют собой нитевидные олигомеры белков, присутствующие на клеточной поверхности. Существуют различные типы пилей. Например, F-пили участвуют в клеточной конъюгации и в переносе ДНК. Когда эти придаточные структуры были впервые обнаружены, их назвали «фимбрии» (лат. fimbria - нить, волокно). Их присутствие коррелировало со способностью Е. coli агглютинировать красные кровяные клетки.
Позже для обозначения фибриллярных структур (F-пили ), связанных с процессом переноса генетического материала между организмами при конъюгации, был предложен термин пили (или пилюс) (лат. pilus - волос). С тех пор этот термин стал общим для описания всех типов ворсинчатых придаточных структур, и используется наряду с термином фимбрия.
Взаимодействие клеток бактерий с другими прокариотическими и эукариотическими клетками с участием ворсинок часто служит важным этапом заселения эпителия, проникновения микробов в клетки хозяина, обмена ДНК и формирования биопленок. Пили могут служить рецепторами бактериофагов. Основная функция большинства пилей состоит в структурном обеспечении позиционирования специфических молекул, участвующих в клеточной адгезии. Адгезивные субъединицы ворсинок (адгезины) представляют собой минорные компоненты их кончиков, однако основные структурные субъединицы также могут функционировать в качестве адгезинов.
Часто адгезивные пили представляют собой важные факторы заселения микробами организма хозяина. Например, при инфекциях мочевых путей патогенными бактериями Е. coli, клетки прикрепляются к эпителию мочевого пузыря с помощью пилей типа I. Пили этого типа присутствуют у многих грамотрицательных микроорганизмов. Они представляют собой сложные структуры, состоящие из толстого тела, соединенного с тонким фибриллярным концом. На конце расположены молекулы адгезина FimH, которые связываются с остатками маннозы на поверхности клеток хозяина.
Два типа пили у клеток прокариот.Р-пили короче, чем F-пили, и принимают участие в адгезии клеток.
F-пили участвуют в конъюгации и в переносе ДНК между клетками.
Фотографии любезно предоставлены Мэтт Чэпмен (слева) и Роном Скарри (справа), биологический факультет Сиднейский университет.
Сборка пилей представляет собой сложный процесс, в котором участвуют структурные белки, составляющие тело пили, и дополнительные белки, способствующие сборке субъединиц на поверхности клетки. Все структурные компоненты, необходимые для процесса сборки пилей на поверхности грамотрицательных микроорганизмов, должны транслоцироваться через цитоплазматическую мембрану в периплазму и далее, через внешнюю мембрану. В завершении процесса сборки участвуют два специфических белка: шаперон, присутствующий в периплазме, и транспортный белок внешней мембраны, который называется Usher-белок.
Процессы, в которых функционируют эти белки, обеспечивают биогенез более 30 различных типов ворсинчатых структур. Как показано на рисунке ниже, комплексы шаперонов с субъединицами образуются в периплазме и на наружной мембране взаимодействуют с Usher-белком, где высвобождается шаперон. При этом на субъединицах открываются интерактивные поверхности, что обеспечивает их дальнейшую сборку в пили. Исследования пилей типа I и Р показали, что адгезин-шапероновые комплексы (PapDG или FimCH) обладают большим сродством к Usher-белку, и адгезины представляют собой начальные субъединицы, которые собираются в пили.
Включение остальных субъединиц отчасти определяется кинетикой образования на Usher-белке комплекса с шапероном. Наряду с функционированием в качестве сборочной платформы, Usher-белок, вероятно, играет также и другие роли в сборке ворсинок. По данным электронной микросокопии высокого разрешения, PapС Usher имеет вид кольцевых комплексов диаметром 15 нм, которые в середине имеют пору размером 2 нм. После отщепления от шаперона, которое происходит на Usher-белке, субъединицы включаются в растущую структуру пили, которая, как считают, должна выталкиваться через центральную пору комплекса в виде толстой линейной фибриллы, состоящей из одной субъединицы.
Большинство микроорганизмов обладает подвижностью, и часто она обеспечивается длинными структурными придатками, которые называются жгутиками. У грамположительных и грамотрицательных бактерий жгутики собираются на поверхности клеток. Когда на полюсе клетки находится один жгутик, такое расположение называется монотрихиальным (или полярным). Если жгутики расположены вокруг клетки, то такое расположение называется перитрихиальным.
Если на одном полюсе клетки находится группа жгутиков, то говорят об их лофотрихиальном расположении (от латинского «хохолок»). бактерий отличаются от этих структур эукариотических клеток, которые состоят из микротрубочек и связанных с ними белков и окружены плазматической мембраной.
Жгутики могут быть различной длины, но их диаметр обычно составляет 20 нм. Они не видны в световом микроскопе, если препараты вначале не обрабатывались реагентами, которые увеличивали диаметр жгутиков. На рисунке ниже видно, что жгутики состоят из трех отдельных доменов: филамента, крючка и базального тела. Филамент жгутика состоит из повторяющихся структур флагеллиновых белков. Флагеллины представляют собой высококонсервативные белки бактерий, что позволяет предполагать, что движение клеток с участием жгутиков характерно для примитивных форм живых организмов. В месте присоединения жгутика к клетке находится базальное тело, представляющее собой сложную структуру, состоящую из множества белков.
Филамент жгутика соединяется с базальным телом посредством крючка. У грамотрицательных бактерий базальное тело проходит через наружную мембрану, протеогликан клеточной стенки и цитоплазматическую мембрану. С наружной мембраной жгутик связан посредством L-кольца. Две пары колец, S-М и Р, способствуют прикреплению жгутика к цитоплазматической мембране и к клеточной стенке соответственно. Каждое кольцо состоит из множества мембранных белков. На цитоплазматической мембране находятся два белка Mot, которые выполняют роль моторов, приводящих жгутики в движение. Еще один набор белков встроен в цитоплазматическую мембрану и выполняет реверсную функцию по отношению к моторам жгутика. Поскольку у грамположительных организмов наружная мембрана отсутствует, у них есть только S-М кольца.
В образовании и сборке филаментов жгутиков участвует несколько десятков различных генов. Их активность строго регулируется в соответствии с порядком процесса сборки. Так, первыми экспрессируются гены, участвующие в сборке базального тела и крючка, а затем наступает очередь генов, ответственных за образование субъединиц жгутика. Экспрессии флагеллиновых субъединиц не происходит до тех пор, пока не завершилась сборка крючка. В этот момент через канал крючка выходит супрессор транскрипции, и, таким образом, снимается подавление экспрессии флагеллина. Субъединицы флагеллина экспортируются через жгутик и добавляются к его растущему концу.
Такой механизм обеспечивает сборку филамента только после образования структуры крючка. Эта структура также имеет отношение к другим секреторным системам белков.
Система хемотаксиса определяет наличие питательных компонентов и затем определяет направление вращения жгутика. В отсутствие питательных компонентов, жгутики вращаются по часовой стрелке, что вызывает поворот клетки. Движение клетки по направлению к молекулам химического соединения или от них называется хемотаксис. В данном разделе мы рассмотрим движение прокариотической клетки в присутствии аттрактанта, являющегося питательным продуктом.
Для того чтобы обеспечить клетке такое движение, жесткий жгутик должен вращаться подобно пропеллеру, за счет энергии, доставляемой протонной движущей силой. Движение клетки состоит из серии прямых пробегов, за которыми следуют ее быстрые беспорядочные повороты. Когда жгутики вращаются против часовой стрелки, клетка перемещается по прямой линии, а при вращении по часовой стрелке клетка совершает повороты. Поскольку в результате поворотов клетка занимает случайные позиции, можно было бы думать, что общий итог движения окажется нулевым. Однако периодичность пробегов регулируется в соответствии с доступностью питательного компонента: более длинные пробеги характерны для движения клетки по направлению к источнику питания, и количество поворотов возрастает, когда клетка направляется от него.
Хотя направление отдельных пробегов все еще случайно, общий результат проявляется в движении клетки в сторону аттрактанта.
Пути передачи сигнала хемотаксиса у прокариот характеризуются чрезвычайно консервативной природой. Единственным из известных организмов, в геноме которого отсутствуют гены хемотаксиса, является Mycoplasma. Практически у всех прокариот обнаружены следующие консервативные белки хемотаксиса: CheR, CheA, CheY, CheW, и CheB. При протекании сложного каскада событий, включающих фосфорилирование и метилирование, эти белки обеспечивают сложный, скоординированный и высокогибкий ответ клетки на присутствие аттрактантов и репеллентов в окружающей среде. Мы опишем, как происходят эти события в клетках Е. coli.
Присутствующие в окружающей среде аттрактанты или репелленты связываются с рецепторами, расположенными на цитоплазматической мембране. С этими рецепторами взаимодействует киназа CheA, также расположенная в цитоплазматической мембране. Эта киназа фосфорилирует CheY, который затем связывается с мотором жгутика, что приводит к переключению направления его вращения и к повороту клетки. Под действием фосфатазы CheZ из CheY удаляется фосфатная группа. При низкой концентрации аттрактанта происходит аутофосфорилирование CheA, фосфатная группа переносится на CheY, и последний мигрирует к мотору жгутика, изменяя характер движения клетки на поворот.
Система хемотаксиса характеризуется еще одним уровнем сложности, который позволяет клетке постоянно адаптироваться к условиям, существующим в окружающей среде. По мере своего продвижения по градиенту концентрации химических соединений, клетка может реагировать на возникающие небольшие флук-туации. Такая кратковременная память обеспечивается за счет метилирования мембранных рецепторов. CheR метилирует мембранные рецепторы, a CheB удаляет метальные группы.