Курс лекций по общей микробиологии основам вирусологии двух частях
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
Глава 2 МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Размеры микроорганизмов. Все живые объекты, размеры которых менее 70 - 80 мкм, невидимы невооруженным глазом и могут быть отнесе-ны к микроорганизмам. Размеры микроорганизмов варьируют в широких пределах (табл. 2): величина самых крупных представителей приблизи-тельно 100 мкм (некоторые диатомовые водоросли и высшие протисты), размеры одноклеточных зеленых водорослей и клеток дрожжей на порядок меньше - приблизительно 10 мкм, еще меньше размеры, характерные для большинства бактерий. Типичная бактериальная клетка - приблизительно 1 мкм в диаметре, в то время как большинство эукариотических клеток - от 10 до 100 мкм в диаметре. В среднем линейные размеры бактерий лежат пределах 0,5 - 3,0 мкм. Но некоторые бактерии могут иметь гигантские размеры, например: клетки нитчатой серобактерии Beggiatoa alba имеют диаметр до 50 мкм; Achromatium oxaliferum имеет в длину 15 - 100 мкм при поперечнике примерно 5 - 3 3 мкм, а длина клетки спирохеты может быть до 250 мкм. Самые мелкие из известных прокариотных клеток - ми-коплазмы диаметром клеток 0,1 - 0,15 мкм. Минимальное число фермен-тов, нуклеиновых кислот и других макромолекулярных компонентов, не-обходимых для самовоспроизведения теоретической «минимальной клет-ки», составляет по проведенной оценке около 50. В клетке диаметром 0,15 мкм может содержаться порядка 1200 молекул белка и осуществлять-ся около 1200 ферментативных реакций, то есть у микоплазм достигнут размер клеток, близкий к теоретическому пределу клеточного уровня ор-ганизации жизни. Размеры вирусов находятся в диапазоне 16 - 300 нм и лежат за пре-делами разрешающей способности светового микроскопа. Вирусы зани-мают место между самыми мелкими бактериальными клетками и самыми крупными органическими молекулами. 25
 Размеры бактерий выражают в микрометрах (мкм). Один микрометр равен 1000 нм (нанометров). Для сравнения: 1 мм = 103 мкм = 106 нм = 10 А = 109 пм (пикометров). В нанометрах измеряют отдельные компо-ненты бактерий. Структуру микроорганизмов изучают с помощью элек-тронной микроскопии целых клеток и их ультратонких срезов. 26 Форма прокариот. Клетки прокариот достаточно разнообразны и имеют форму сферы, цилиндра или спирали (цв. вклейка, рис. I). Они бы-вают одиночными, в иных случаях образуют нити или колонии. Прокариоты сферической формы (шаровидные клетки) называют кокками, после деления они могут не расходиться и образуют пары клеток-диплококки, или парные кокки (пневмококк, гонококк, менингококк). Пневмококк (возбудитель пневмонии) имеет с противоположных сторон ланцетовидную форму, а гонококк (возбудитель гонореи) и менингококк (возбудитель эпидемического менингита) - форму кофейных зерен, обра-щенных вогнутой поверхностью друг к другу. Стрептококки (от греч. streptos - цепочка) - клетки округлой или вы-тянутой формы, составляющие цепочку вследствие деления клеток в одной плоскости и сохранения связи между ними в месте деления. Сарцины (от лат. sarcina — связка, тюк) располагаются в виде пакетов из 8 и более кок-ков, так как они образуются при делении клетки в трех взаимно перпенди-кулярных плоскостях. В этом случае колонии бактерий имеют правильную сферическую форму. Если деление происходит в нескольких плоскостях неравномерно, образуются клеточные скопления неправильной формы. Стафилококки (от греч. staphyle - виноградная гроздь) представляют собой кокки, расположенные группами (гроздьями) в результате деления в раз-ных плоскостях. Прокариоты, имеющие форму цилиндра, - палочковидные бактерии, различаются по размерам, по отношению длины клетки к ее поперечнику, форме концов клетки и взаимному расположению клеток. Длина клеток варьирует от 1 до 8 мкм, толщина - от 0,5 до 2 мкм. Палочки могут быть правильной (кишечная палочка и др.) и неправильной (коринебактерии и др.) формы, в том числе ветвящиеся, например актиномицеты. Наиболее мелкие палочковидные бактерии - риккетсии. Концы палочек могут быть как бы обрезанными (сибиреязвенная бацилла), закругленными (кишечная палочка), заостренными (фузобактерии) или в виде утолщения, и тогда па-лочка похожа на булаву (коринебактерии дифтерии). Слегка изогнутые палочки называют вибрионами (холерный вибри-он). Большинство палочковидных бактерий располагается беспорядочно, так как после деления клетки расходятся. Если после деления клетки оста-ются связанными общими фрагментами клеточной стенки и не расходятся, 27 они располагаются под углом друг к другу (коринебактерии дифтерии), образуют цепочку (сибиреязвенная бацилла). Спириллы -извитые формы бактерий,имеют вид штопорообразноизвитых клеток. К патогенным спириллам относится возбудитель содоку (болезни укуса крыс). Спирохеты -тонкие,длинные,извитые(спиралевидной формы)бактерии, отличающиеся от спирилл подвижностью, обусловленной «сги-бательными» изменениями клеток. Актиномицеты —ветвящиеся грамположительные бактерии.Своеназвание (от греч. actis - луч, mykes - гриб) они получили в связи с воз-никновением в пораженных тканях друз-гранул из плотно переплетенных нитей в виде лучей, отходящих от центра и заканчивающихся колбовид-ными утолщениями. Актиномицеты, как и грибы, образуют мицелий - ни-тевидные переплетающиеся клетки (гифы). Они формируют субстратный мицелий, появляющийся в результате врастания мицелия в питательную среду, и воздушный, растущий на поверхности среды. Актиномицеты мо-гут делиться путем фрагментации мицелия на палочковидные или сфери-ческие клетки, похожие на палочковидные и кокковидные бактерии. На воздушных гифах актиномицетов могут образовываться споры, необходи-мые для размножения. Споры актиномицетов обычно нетермостойки. Описаны прокариоты, обладающие морфологической изменчиво-стью, в зависимости от условий имеющие вид палочек, кокков или обна-руживающие слабое ветвление. Форма многоклеточных прокариот также разнообразна: это скопления различной конфигурации, чаще - нити. Свое-образие бактериальным клеткам придают жгутики, имеющие различное расположение на клеточной поверхности, а также выделения клеточных веществ разной химической природы. За последнее время среди прокариот обнаружены организмы, отли-чающиеся от описанных выше основных форм. Некоторые бактерии име-ют вид кольца, замкнутого или разомкнутого в зависимости от стадии рос-та. У прокариот, размножающихся в основном почкованием, описано обра-зование клеточных выростов (простек), число которых может колебаться от 1 до 8 и более. Из природных субстратов выделены бактерии червеоб-разной формы и напоминающие шестиугольную звезду. Для некоторых видов характерно слабое или довольно хорошо выраженное ветвление. 28 2.2. Морфология прокариотной клетки Прокариотные клетки имеют три структурные области, которые на рис. 1 обозначены буквами А, Б и В. Область А включает поверхностные клеточные структуры и внеклеточные образования: жгутики, клеточную стенку, капсулу, слизистые выделения, чехол, фимбрии; область Б - плаз-матическую мембрану и цитоплазматическую область, которая содержит геном клетки (ДНК) и рибосомы; область В - запасные питательные веще-ства и различные виды включений.  19 2 2 2 6
Рис. 1. Комбинированное изображение прокариотной клетки (по Schlegel, 1972 г.) [8]: А: 1 - клеточная стенка; 2 - капсула; 3 - слизистые выделения; 4 - чехол; 5 - жгутики; 6 - ворсинки; Б: 7 - цитоплазматическая мембрана; 8 - нуклеоид; 9 - рибосомы; 10 цитоплазма; 11 хро-матофоры; 12 - хлоросомы; 13 - пластинчатые тилакоиды; 14 - фикобилисомы; 15 - трубчатые тилакоиды; 16 - мезосома; 17 - аэросомы (газовые вакуоли); 18 - ламеллярные структуры; В: 19 - полисахаридные гранулы; 20 - гранулы поли-^-оксимасляной кислоты; 21 - гранулы полифосфата; 22 - цианофициновые гранулы; 23 - карбоксисомы (полиэдральные тела); 24 - включения серы; 25 - жировые капли; 26 -углеводные гранулы Основные структуры бактериальной клетки: клеточная стенка, цито-плазматическая мембрана, цитоплазма с включениями и ядро, называемое нуклеоидом. Бактерии могут иметь и дополнительные структуры: капсулу, микрокапсулу, слизь, жгутики, фимбрии, пили; некоторые бактерии спо-собны образовывать споры. 29 Область А - поверхностные структуры клетки ЖГУТИКИ Жгутики (от англ. flagella - жгутик) бактерий представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны; длина их больше, чем длина клетки. Они определяют подвижность бактерий, позво-ляют им плавать в жидких средах. Толщина жгутиков 12-20 нм, длина 3 - 12 мкм. Число жгутиков и их расположение у бактерий различных видов варьирует от одного полярного (монотрих) у холерного вибриона (рис. 2) до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии (перит-рих), у кишечной палочки, протея и др. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки, амфитрихи - по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки.  Рис. 2. Vibrio cholerae (холерный вибрион) Жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке специальными дисками. По химическому составу жгутики состоят из белка флагеллина, обладающего антигенной специфичностью. Его субъединицы закручены в виде спирали. Флагеллин обладает сократитель-ной способностью. Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии препара-тов, напылѐнных тяжелыми металлами, или в световом микроскопе после обработки препаратов специальными методами (например, после серебре-ния). Они состоят из однотипных спирально или продольно уложенных вокруг полой сердцевины белковых субъединиц, образующих цилиндри-ческую структуру, которая особым образом прикреплена к бактериальной 30 клетке; включают три компонента: спиральную жгутиковую нить постоян-ной толщины, крючок и базальное тельце. Крючок, к которому присоеди-нена жгутиковая нить, имеет длину 30 - 45 нм и состоит из отличающегося от флагеллина белка. Он соединен с базальным тельцем, которое располагается целиком в оболочке (в клеточной стенке и цитоплазматической мембране). Базальное тельце состоит из цен-трального стержня, заключенного в систему особых колец. У грамотрица-тельных бактерий их две пары: внешняя (кольца L и  и внутренняя (S и M). Кольца L и P (рис. 3) расположены внутри клеточной стенки (кольцо L -в липополисахариде (ЛПС), а кольцо P -в слое пептидогликана). Они исполняют роль втулки стержня. Внутренняя пара (S и M) фиксирована на
кольца обеспечивают вращательное движение жгутиков. Благодаря этому вращению происходит направленное движение бактерий. Жгутиковый аппарат обладает особым бинарным пе-реключателем, который позволяет менять направление движения жгутиков против часовой стрелки на движение по часовой стрелке. Со жгутиковым аппаратом связана также и хемотаксическая активность бактерий. Генети-ческий контроль синтеза жгутиковых белков, их сборки и активности осу-ществляется особым опероном. Установлено, что мутации в области mot-генов (от англ. motility - подвижность) приводят к потере только подвиж-ности, однако все структуры жгутиков сохраняются; мутации в che-генах (от греч. chemotaxis - хемоподвижность) - к потере хемотаксической ак-тивности при сохранении структуры жгутиков и их подвижности. 31 Бактериальные жгутики движутся за счет протонной силы (хемиос-мотического потенциала) бактериальной мембраны, а не гидролиза ATФ. Прокариоты обладают разными типами движения (поведения), то есть спо-собностью двигаться в ответ на воздействия окружающей среды. Напри-мер, в процессе хемотаксиса бактерия может ощущать качество и количе-ство некоторых химических веществ в окружающей среде и двигаться к ним (если это полезные питательные вещества) или удаляться от них (если это вредные вещества). Фимбрии или реснички (от лат.fimbria -бахрома)-нитевидные об-разования, более тонкие и короткие (3 - 20 нм х 0,3 - 10 мкм), чем жгутики (цв. Аклейка, рис. II). Фимбрии отходят от поверхности клетки и состоят из белка, называемого пилином. Биологическое значение фимбрий состоит том, что с их помощью бактерии прикрепляются только к определенным поверхностям. Среди фимбрий разного типа выделяют фимбрии, ответственные за адгезию, то есть прикрепление бактерии к поражаемой клетке (например пили общего типа - common pili); фимбрии, ответственные за питание, водно-солевой обмен; половые (F-пили), или конъюгационные, пили. Пили общего типа многочисленны и достигают количества нескольких сотен в одной клетке. Они являются основными факторами патогенности у болез-нетворных бактерий, потому что бактерии ими прикрепляются к чувстви-тельным клеткам и заселяют их, то есть факторами адгезии и колонизации. Кроме того, они препятствуют фагоцитозу. Термин «пили» применяется чаще в отношении особых фимбрий - половых пилей, образуемых так называемыми мужскими клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F, R, Col); их количе-ство 1 - 2 на клетку. Пили (донорные ворсинки) - длинные (0,5 - 10 мкм) нитевидные структуры белковой природы. Они присущи бактериям, имеющим конъю-гативные плазмиды (F- и R-плазмиды). Они, как и жгутики, имеют внут-реннюю полость и построены из особого белка, отличающегося от флагел-лина и пилина. Их синтез находится под контролем плазмидных генов. Они служат аппаратом конъюгации: с их помощью устанавливается непо-средственный контакт между донорной и реципиентной клетками. Донор-ные пили обнаруживают с помощью донорспецифических фагов, которые на них адсорбируются и далее вызывают лизис клетки-хозяина. Донорные пили встречаются в количестве 1 - 2 на клетку. 32 КАПСУЛЫ, СЛИЗИСТЫЕ СЛОИ И ЧЕХЛЫ Некоторые бактерии (пневмококки, клебсиеллы и др.) образуют кап-сулу - слизистое образование,прочно связанное с клеточной стенкой,имеющее четко очерченные внешние границы. Капсула различима в маз-ках-отпечатках из патологического материала, еѐ толщина 0,2 мкм. В чис-тых культурах бактерий капсула образуется реже. В ее образовании участ-вует цитоплазматическая мембрана. По химическому составу различают капсулы, состоящие из полисахаридов, содержащих аминосахара, и капсу-лы полипептидной природы, например у сибиреязвенной бациллы. Выявление капсул осуществляется методом негативного контрасти-рования. Капсула гидрофильна, она препятствует фагоцитозу бактерий. Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование, выявляемое при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слизь — мукоидные экзополисахариды,не имеющие четких внешних гра-ниц. Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам), их еще называют гликокаликсом. Кроме того, что бактериальные экзополисахариды синтезируются бактериями путем секреции их компонентов, существует и другой меха-низм их образования - при действии внеклеточных ферментов на дисаха-риды. В результате этого образуются декстраны и леваны. Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыха-ния, так как они гидрофильны и хорошо связывают воду, препятствуют действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов и могут являться запасом питательных веществ. Чехлы - это более сложные структуры.Обычно они имеют и болеесложный химический состав, например, у Sphaerotilus natans чехол содер-жит: сахаров - 36, гексозамина -11, белка - 27, липида - 5,2, фосфора - 0,5 %. Капсулы, слизистые слои и гликокаликс, как известно, определяют специфические свойства поверхности бактериальных клеток, и некоторые компоненты этих структур являются специфическими антигенами. Капсулы также защищают бактерии от хищных простейших и от действия антибактериальных агентов животного (фагоциты, антитела) или растительного (микроцины) происхождения. Капсулы некоторых почвен-ных бактерий защищают их от постоянной угрозы высушивания. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||