Бактериальной клетки. Основные морфологические формы бактерий и методы их изучения. Принципы классификации бактерий по Берджи
 Скачать 3.01 Mb.
|
|
Вопрос 1. Бактерии. Определение. Ультраструктура бактериальной клетки. Основные морфологические формы бактерий и методы их изучения. Принципы классификации бактерий по Берджи Бактерии- одноклеточные микроорганизмы, относящиеся к царству Прокариотам, лишенные оформленного ядра и хлорофилла. Археи- одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра и каких либо мембранных органелл. Ультраструктура бактериальной клетки Структурные компоненты бактериальной клетки: *обязательные *необязательные. Обязательные компоненты: · клеточная стенка, · цитоплазматическая мембрана, · цитоплазма с локализованными в ней рибосомами · ядерный аппарат Необязательные компоненты: · капсула, · микрокапсула, · внеклеточная слизь, · включения, · жгутики, · пили, · споры. Клеточная стенка Функция клеточной стенки состоит в том, что она является : · осмотическим барьером; · определяет форму бактериальной клетки; · защищает клетку от воздействия окружающей среды; · несет разнообразные рецепторы, способствующие прикреплению фагов,колицинов, а также различных химических соединений · через клеточную стенку в клетку поступают питательные вещества и выделяются продукты обмена; · в клеточной стенке локализован О – антиген бактерий и с ним связан эндотоксин бактерий. Клеточная стенка представлена слизистой оболочкой, это биогетерополимер, имеющий сложное строение, который покрывает всю поверхность клетки, различают три слоя: - наружний – липопротеиновый; - средний – липополисахаридный; - внутренний – мукопептидный. Два типа строения клеточной стенки. В обеих случаях ее основу составляет пептидогликан муреин, (у некоторых, например ГР+ бактерий он связан с тейхоевыми кислотами). 1 тип, муреин составляет до 90% массы клеточной стенки и образует многослойный до 10 слоев каркас. Такие бактерии при окраске по методу Грамма прочно удерживают комплекс генцианового фиолетового красителя - они окрашиваются в сине – фиолетовый цвет и называются Гр (+). У бактерий со 2 типом строения клеточной стенки поверх 2- 3 слоев пептидогликана – муреина располагается слой липополисахаридов. Эти бактерии при окраске по Грамму не способны прочно связывать комплекс красителей, и соответственно, обесцвечиваются спиртом. Поэтому их дополнительно прокрашивают фуксином в розово – красный цвет. Это Гр (-) бактерии. В связи с различиями в строении клеточной стенки все бактерии делятся на 4 отдела: -грациликуты – бактерии с тонкой клеточной стенкой, Гр(-), извитые, палочковидные, кокковые формы бактерий, риккетсии и хламидии. - формикуты – бактерии с толстой клеточной стенкой, Гр(-), к ним относятся палочковидные, кокковые формы, актиномицеты, коринебактерии, микобактерии. - тенерикуты – бактерии без ригидной клеточной стенки – микоплазмы. - мендозикуты – архебактерии, отличающиеся дефектной клеточной стенкой, особенностями строения рибосом, мембран и рибосомальных РНК. Протопласты и сферопласты – формы любой бактериальной клетки, полностью или частично лишенную клеточной стенки Они называются соответственно,. Весьма существенным является то, что под воздействинм химиопрепаратов и других факторов. Нарушающих формирование клеточной стенки, они могут образовываться в организме больного, но при этом бактреии сохраняют способность взаимодействовать с организмом больного. Кроме того существуют, так называемые L – формы бактерий, которые в отличии от протопластов и сферопластов способные к размножению - это сферические образования разных размеров. Существуют стабильные L-формы, не способные реверсировать в исходный морфотип и нестабильные L -формы, реверсирующие в исходный тип при устранении причин, вызывающих их образование. В процессе реверсии восстанавливается способность бактерий синтезировать пептидоглика – муреин клеточной стенки. L формы различных бактерий играют существенную роль в патогенезе многих хронических рецедивирующих заболеваний (бруцеллез, туберкулез, сифилис). Цитоплазматическая мембрана и мезосомы. ЦПМ является жизненнонеобходимым структурным компонентом бактериальной клетки. Она ограничивает протопласт, располагаясь непосредственно под клеточной стенкой. ЦПМ – это липопротеин. Является сложно орагнизованной структурой, состоящей из нескольких слоев. Двойной фосфолипидный слой пронизан белковыми глобулинами, которые обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку. ЦПМ выполняет жизненно важные функции, нарушение которых приводит бактериальную клетку к гибели · регуляция поступления в клетку метаболитов и ионов, · участие в метаболизме, · Участие в репликации ДНК, · Участие в процессах спорообразования. Мезосомы w -являются производными ЦПМ; w имеют неодинаковое строение у разных бактерий, располагаясь в разных частях клетки либо в виде концентрических мембран, либо пузырьков, инвагинаций, либо в виде петли; w мезосомы связаны с нуклеоидом; w участвуют в процессе деления и спорообразования, дыхании клетки. Цитоплазма, рибосомы, включения Цитоплазма - это физический, осмотический и метаболический барьер между внутренним содержимым бактериальной клетки и внешней средой. Он имеет сложную трехслойную структуру. У прокариот представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из 75% воды, минеральных соединений, белков, РНК, ДНК, которые входят в состав органелл нуклеоида, рибосом, мезосом, включений. Рибосомы у бактерий представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы, состоящие из двух субъединиц 30S и 50S. Бактериальные рибосомы являются белоксинтезирующими системами клеток. Включения являются продуктами метаболизма про – и эукариотических микроорганизмов, которые располагаются в их цитоплазме и используются в качестве запасных питательных веществ. К ним относятся включения гликогена, крахмала, серы, полифосфата (валютина) и др. Зерна валютина – это метахроматические включения. Например, у включения у дифтерийной палочки. Ядерный аппарат. - у прокариотов нет оформленного ядра – его аналог нуклеоид; -он имеет фибриллярную структуру; - не имеет основных белков – гистонов; -не содержит хромосом; - не делится митозом. В нем содержится двунитевая молекула ДНК, а также небольшое количество РНК и белков. Молекула ДНК представляет собой замкнутую кольцевую структуру, в которой закодирована почти вся наследственная информация клетки, т.е. геном клетки. ДНК часто обозначается как хромосома. При этом следует помнить, что она представлена в клетке в единственном числе, поскольку бактерии являются гаплоидными. Однако, перед делением клетки число нуклеоидов удваивается, а во время деления увеличивается до 4 и более. Плазмиды - автономные кольцевые молекулы двунитчатой ДНК с меньшей молекулярной массой, которых получили название плазмид. В них также закодирована наследственная информация. Это необязательные структуры бактериальной клетки. Капсула Капсула бактерий – это утолщенный наружный слой клеточной стенки. Капсулы могут быть построены из полисахаридов (пневмококк) или белков (возбудитель сибирской язвы).Большинство бактерий, особенно патогенных, образуют капсулу только в организме человека или животных. Однако, существует род истинно капсульных бактерий (Klebsiella), представители которого образуют капсулу и при культивировании на искусственно питательных средах. Некоторые бактерии могут иметь микрокапсулу, например, эшерихии, или неявно выраженную способность к капсулообразованию – так называемую «нежную капсулу», например, золотистые стафилококки, менингококки. Основное предназначение капсулы – защита бактерий от фагоцитоза. Наружный слизистый слой - синегнойная палочка продуцирует экзополисахариды, которые образуют наружный слизистый слой. Споры бактерий Споры бактерий представляют собой бактериальные клетки в состоянии анабиоза и образуются при неблагоприятных условиях внешней среды. Располагаться могут внутри клетки терминально, субтерминально или центрально. Морфология бактерий - это внешняя форма клетки. Основные морфологические формы : Шаровидные (кокки) по характеру расположения кокков делятся на: -микрококки (отдельное изолированное расположение) -диплококки (сцепленное попарно); -тетракокки (сцепленные по четыре). -стрептококки (сцепленные в цепочку). -сарцины (сцепленные в пакеты по 8, 12, 16 ). -стафилококки (сцепленные беспорядочно в виде виноградной грозди). Палочковидные -по характеру расположения делятся на : - бактерии или бациллы (отдельно расположенные). - диплобактерии или диплобациллы (сцепленные попарно) - стрептобактерии (сцепленные в цепочку). Извитые формы – по характеру и количеству завитков делятся на: -вибрионы –слегка изогнутые палочки – одна запятая; -спириллы, имеют до 8 завитков; -спирохеты, которые в свою очередь делятся бореллии и трепонемы и лептоспиры. Ветвящиеся формы – имеют ветвящееся тело, похожее на мицелий: актиномицеты, нокардии, микобактерии Методы изучения морфологии. Световая микроскопия : - иммерсионная- применяется для изучения окрашенных мазков препаратов. - темнопольная и фазовоконтрастная - применяется для изучения неокрашенных препаратов в слое жидкости (препараты висячая или раздавленная капля). - люминисцентная, электронная- применяется для изучения нативных мазков, окрашенных или неокрашенных флюорохромами, при облучении их коротковолновым излучением. Вопрос 2. Crispr-Cas системы бактерий, строение, функции, практическое применение. CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) - особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы - играет роль иммунной системы бактерий. Cas-белки - (CRISPR-associated sequence — последовательность, ассоциированная с CRISPR). Если фрагмент вируса «записан» в спейсере CRISPR РНК, Cas-белки разрезают вирусную ДНК и уничтожают ее, защищая клетку от инфекции. CRISPR — это система специфического иммунитета прокариот, характерная как для бактерий, так и для архей. CRISPR-структуры впервые были описаны почти 30 лет назад, однако их функция долгое время оставалась загадкой. CRISPR-системы состоят из геномных кассет, в которые записывается информация о вирусных или плазмидных инвазиях, и Cas-белков, обеспечивающих молекулярный механизм иммунитета. В ответ на инфекцию клетка с CRISPR вырезает из чужеродного генома небольшой фрагмент и встраивает его в кассету. Высокоэффективное узнавание ДНК, лежащее в основе работы CRISPR, оказалось привлекательно и для практического использования, и сейчас CRISPR- системы служат для точных манипуляций с самыми различными геномами, в том числе и с геномом человека. Впервые были описаны в 1987 г. в геноме основного модельного организма микробиологии и молекулярной биологии — кишечной палочки (Escherichia coli). CRISPR-структуры были найдены у 45% всех известных бактерий и 85% архей. Состоит система из кассет, содержащих повторы и спейсеры (не поддаются транскрипции). Число составных звеньев в CRISPR-кассете может варьировать от двух до нескольких сотен СRISPR-структуры чаще располагаются на основной хромосоме (нуклеоиде), но иногда входят в состав плазмид (маленьких кольцевых, автономно реплицирующихся молекул ДНК). Повторы в кассете, как правило, строго совпадают между собой по длине и последовательности нуклеотидов. Функция : РНК, транскрибирующиеся с локусов CRISPR, совместно с ассоциированными белками Cas обеспечивают адаптивный иммунитет за счёт комплементарного связывания РНК с нуклеиновыми кислотами чужеродных элементов и последующего разрушения их белками Cas. Впрочем, к настоящему моменту имеется немало свидетельств участия CRISPR в процессах, не связанных с иммунитетом. Люди научились одомашнивать не только коров и собак, но и бактерий. Streptococcus thermophilus — одна из ключевых одомашненных микробных культур — используется для получения сыров, йогуртов и других молочнокислых продуктов. Но бактерии, даже самые полезные, тоже болеют. Молочная промышленность постоянно обеспокоена подверженностью S. thermophilus различным вирусным инфекциям. Неслучайно именно на этом модельном организме проведены ключевые эксперименты по уточнению функции CRISPR-систем. Если заразить живую культуру S. thermophilus бактериофагами, то большинство бактерий погибнет, но очень небольшая часть выживет. Чем же выжившие отличаются от изначальной культуры? Оказалось, что их геном стал длиннее на 0.01% за счет того, что в CRISPR-кассету добавились 1–4 новых спейсера. При повторном заражении этой культуры теми же бактериофагами все клоны выживали. Практическое применение: Прививки для бактерий. Бактериофаги представляют серьезную угрозу для культур промышленных бактерий. CRISPR — это отличная настраиваемая платформа. На ее основе можно собрать нужный профиль устойчивости только за счет добавления спейсеров к соответствующим бактериофагам. Благодаря CRISPR-системам можно увеличивать продолжительность жизни ценных штаммов. Ограничение распространения нежелательных генов, локализованных на плазмидах. Если исследователь хочет застраховать свой штамм от приобретения плазмид, несущих нежелательные гены, ему на помощь тоже приходят CRISPR. Так можно ограничивать распространение генов резистентности к антибиотикам и даже целых островков патогенности. Прививки от бактерий, фаготерапия. Бактерии ответственны за множество болезней человека. А существенная часть бактерий, населяющих тело человека, в том числе, болезнетворных, содержит CRISPR-системы .. Если научиться правильно на них влиять и эффективно обходить CRISPR-иммунитет, то можно будет бороться с бактериями с помощью их естественных врагов, бактериофагов — именно этим занимается фаготерапия, но пока, к сожалению, недостаточно успешно для массового применения. Генная терапия, изменение генома (в перспективе - даже человека!) Вопрос 3. Споры, капсулы у бактерий. Методы изучения. Некультивируемые и дормантные формы бактерий. Методы обнаружения. Споры бактерий представляют собой бактериальные клетки в состоянии анабиоза и образуются при неблагоприятных условиях внешней среды. Располагаться могут внутри клетки терминально, субтерминально или центрально. В процессе спорообразования клетка почти полностью теряет воду, смарщивается, клеточная стенка уплотняется, появляется новое вещество дипиколинат кальция, которое образует комплексы с биополимерами клетки, устойчивые к действию температуры и ультрофиолетовых лучей. В окружающей среде споры бактерий могут сохраняться годами, но при попадании в благоприятные условия спора впитывает влагу, комплексы распадаются, дипиколинат разрушается и спора превращается в вегетативную клетку. Таким образом, спору следует рассматривать не как способ размножения клетки (как это часто имеет место у грибов), а только как способ существования бактериальной клетки в неблагоприятных условиях. При этом надо запомнить – 1 клетка- 1спора- 1 клетка. Спорообразование характерно в основном для Гр(+) бактерий. У Гр(-) эквивалентом спорообразования является переход в так называемое некультивируемое состояние. В такой форме они могут длительно сохраняться в окружающей среде. Капсула бактерий – это утолщенный наружный слой клеточной стенки. Капсулы могут быть построены из полисахаридов (пневмококк) или белков 7 (возбудитель сибирской язвы). Большинство бактерий, особенно патогенных, образуют капсулу только в организме человека или животных. Однако, существует род истинно капсульных бактерий (Klebsiella), представители которого образуют капсулу и при культивировании на искусственно питательных средах. Некоторые бактерии могут иметь микрокапсулу, например, эшерихии, или неявно выраженную способность к капсулообразованию – так называемую «нежную капсулу», например, золотистые стафилококки, менингококки. Основное предназначение капсулы – защита бактерий от фагоцитоза. Методы обнаружения: 1.Наличие капсулы. Для выявления капсул используют метод окраски по Бурри- Гинсу. 2. Наличие спор. Для выявления используют окраску по Клейну. Некультивируемые и дормантные формы бактерий У многих видов Гр(-) бактерий существует особое приспособительное, генетически регулируемое состояние, эквивалентное цистам, в которое они могут переходить под влиянием неблагоприятных условий и сохранять свою жизнеспособность до нескольких лет. Главная особенность такого состояния в том, что бактерии в нем не размножаются и не образуют колоний на питательной среде. Такие не размножающиеся, но жизнеспособные бактерии и называются некульвируемыми формами бактерий (НФБ). Клетки этих бактерий находятся в метаболически активном состоянии, они высокоустойчивы к воздействию условиям внешней среды. Для их обнаружения используют методы молекулярногенетического анализа (ДНК-гибридизацию, ПЦР). Дормантные формы имеют меньшие морофометрические отличия от стандартных форм. Клетки в дормантном состоянии, морфологически сходные с культивируемыми формами, проходящими клеточный цикл, но функционально отличающиеся от последних. Например, у дрожжей при азотном голодании (т. е. клетки, вышедшие из клеточного цикла в состояние G0), сохраняют метаболическую активность, несмотря на присутствие морфологических изменений в ядре и цитоплазме Вопрос 4. Особенности метаболизма у бактерий. Белковый и углеводный обмен у бактерий. Методы их изучения. 1.Изучают метаболизм бактерий с помощью биохимических и физико – химических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на питательных средах, определенные субстраты. 2.Особенности метаболизма у бактерий. 1.метаболизм бактерий характеризуется ярко выраженным разнообразием. 2.Напряженность (интенсивность) процессов метаболизма. 3.Все процессы направлены на рост и размножение клетки. 4.Преобладают процессы распада (катаболизма). 5.В метаболизме у бактерий принимают участие как эндоферменты, так и экзоферменты. |