Морфология бактерий. Общие вопросы.
Ультраструктура бактериальной клетки
* - мишени (точки приложения) для антибактериальных антибиотиков
Бактерии – представители доминиона Bacteria– одноклеточные организмы, имеющие прокариотический тип клеточной организации (см. рис. 1). Обязательными элементами клетки (любой клетки, в т.ч. клетки прокариотического типа) являются :
- Цитоплазма
- Внутриклеточные органеллы
- Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)
Особенности ультраструктурной организации клетки прокариотического типа:
Отсутствует компартментализация цитоплазмы, т.е. разделение цитоплазмы на функциональные отсеки (компартменты) с помощью внутриклеточных мембран (т.о., отсутствуют мембранные органеллы, в т.ч. и ядро)
Отсутствует полноценный цитоскелет
Отсутствует хроматин, т.е. отсутствует типичная упаковка генетического материала клетки (ДНК) в нуклеосомы с помощью белков гистонов.
Характеристика ультраструктурных компонентов бактериальной клетки:
Цитоплазма (гиалоплазма, цитозоль) – внутренняя среда клетки, представляет собой сложную коллоидную систему, содержащую разнообразные растворимые неорганические (фосфаты, сульфаты, хлориды, карбонаты etc., катионы одно- и двухвалентных металлов Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ etc.) и органические низкомолекулярные (углеводы, органические кислоты, аминокислоты, азотистые основания etc.) и высокомолекулярные (белки, нуклеиновые кислоты etc.) соединения в виде истинных и/или коллоидных растворов и характеризующуюся постоянством основных физико-химических параметров, как то: осмолярность, рН, ионная сила и т.д.
Функция цитоплазмы : обеспечивает оптимальные условия для протекания внутриклеточных биохимических реакций и всех процессов жизнедеятельности клетки.
Внутриклеточные органеллы
Нуклеоид – подобие ядра – область цитоплазмы бактериальной клетки, занятая генетическим материалом. Генетический материал у бактерий представлен двухцепочечной молекулой ДНК (дцДНК). Нуклеоид представляет собою совокупность всех молекул ДНК, присутствующих в клетке.
У большинства бактерий генетический материал представлен кольцевыми ковалентно замкнутыми суперспирализованными (т.е. многократно закрученными вокруг своей оси молекулами ДНК.
Состояние суперспирализации является динамическим и обеспечивается работой ферментов, относящихся к классу топоизомераз . В каждой бактериальной клетке присутствуют топоизомеразы нескольких типов, различающиеся по функциям и конечному эффекту на топологию (т.е. третичную структуру) ДНК.
Третичная структура нуклеоида дополнительно стабилизируется при участии минорных (присутствующих в малом количестве) ДНК-связывающих «гистоноподобных» белков. (Следует особо обратить внимание и запомнить, что бактериальные гистоноподобные белки имеют мало общего с гистонами эукариот!)
Подобно тому, как эукариотический хроматин в зависимости от плотности упаковки подразделяется на рыхло упакованный эухроматин и плотно упакованный гетерохроматин, бактериальный нуклеоид содержит как плотно закрученные участки с большим числом положительных супервитков, так и частично раскрученные (т.е. деспирализованные) участки, содержащие отрицательные супервитки. Эти участки доступны для ферментов транскрипции, и в их составе располагаются активно работающие гены. Наибольшее практическое значение имеют топоизомеразы, отвечающие за отрицательную суперспирализацию (частичное раскручивание) участков ДНК (т.е. вносящие отрицательные супервитки). К их числу относятся ДНК-гираза* (состоит из субъединиц А и В) и топоизомераза IV *. Нарушение работы этих ферментов блокирует процесс транскрипции, а также и репликации ДНК, что приводит к остановке роста и размножения бактерии. Функция нуклеоида : хранение, воспроизведение и реализация генетической информации.
Рибосомы* – рибонуклеопротеидные частицы с константой седиментации 70S , состоят из 2-х субъединиц, имеющих константы седиментации 30S (малая) и 50S (большая). Бактериальная рибосома отличается по количественному и качественному составу белков и рибосомальных РНК (рРНК) от рибосомы эукариотического типа. В оптимальных условиях роста бактериальная клетка содержит 10.000 – 20.000 рибосом.
Функция рибосом :
Основная: трансляция (матричный процесс биосинтеза белков). Дополнительная: синтез регуляторных молекул в ответ на голодание.
Включения – гранулы, представляющие собой запас питательных веществ в пригодной для длительного хранения форме, т.е. обычно в виде инертных полимеров: органических (крахмал, гликоген, нейтральные липиды и др.) или неорганических (полифосфаты и др.). Могут достигать размеров, видимых в световой микроскоп, т.е. превышать 0.2 мкм в диаметре. [Включения полифосфатов («зерна волютина») выявляют с помощью окраски по методу Нейссера.]
Элементы цитоскелета . С внутренней поверхностью ЦПМ бактериальной клетки связаны сократительные белки нескольких типов, участвующие в пространственном распределении и разделении структурных элементов клетки, а также в процессе деления и, возможно, внутриклеточного транспорта.
Поверхностный аппарат не является обязательным для бактериальной клетки.
Поверхностный аппарат и отдельные его элементы могут эволюционно отсутствовать у определенных групп бактерий.
Бактерии способны утрачивать или приобретать те или элементы поверхностного аппарата в зависимости от условий существования.
К элементам поверхностного аппарата бактериальной клетки относятся:
Клеточная стенка
S-слой
Капсула и капсулоподобные оболочки
Жгутики
Реснички (пили) = ворсинки (фимбрии)
Периплазматическое пространство : метаболически активная область между ЦПМ и клеточной стенкой (см. схемы на рис. 6 и 13 , электронограммы рис.8,9 и 14-16 ), отличная по физико-химическим свойствам и химическому составу от внешней среды и содержащая ряд ферментов (гидролитических и синтетических) и шаперонов, участвующих в формировании нативной конформации белков (структурных, транспортных, экзоферментов, экзотоксинов и проч.), функционирующих вне цитоплазмы, в т.ч. и во внешней среде.
Функции периплазматического пространства :
Синтетическая / функция эндоплазматической сети и комплекса Гольджи /: пост-трансляционная модификация (созревание) белков и других макромолекул, в т.ч. компонентов клеточной стенки.
Пищеварительная / функция лизосомы /: содержит гидролитические ферменты, участвующие в расщеплении олигомеров до мономеров в процессе питания.
Клеточная стенка : защитная оболочка, покрывающая бактериальную клетки снаружи.
NB !!! Представители класса Mollicutes не имеют клеточной стенки (эволюционно закрепленный признак).
В зависимости от особенностей организации клеточной стенки выделают 3 типа бактерий:
Фирмикутные [ firmus лат. жесткий] (при окраске по методу К. Грама приобретают темно-пурпурный/фиолетовый цвет, т.е. грам-положительные) имеют толстую и жесткую клеточную стенку, характеризующуюся повышенной механической прочностью, но достаточно проницаемую для малых молекул и, т.о., НЕ являющуюся барьером для низкомолекулярных соединений (см. рис. 6-8 ).
Грациликутные [ gracilis лат. нежный] (при окраске по методу К. Грама приобретают розово-сиреневый цвет, т.е. грам-отрицательные) имеют сравнительно тонкую и относительно непрочную клеточную стенку (см. рис.10-15), более чувствительную к механическим воздействиям, но характеризующуюся низкой проницаемостью для многих малых молекул, в первую очередь, гидрофобных, включая и многие антибиотики (пенициллин и др.).
Кислотоустойчивые (по методу К. Грама не окрашиваются, при окраске по методу Циля-Нильсена приобретают красный/малиновый цвет) имеют клеточную стенку, отличающуюся значительной толщиной и механической прочностью (рис.17,18) и одновременно крайне низкой проницаемостью для малых молекул, в том числе большинства существующих антибиотиков.
Клеточная стенка фирмикутных бактерий
представлена толстым (50 нм) слоем пептидогликана , пронизанного тейхоевыми и липотейхоевыми кислотами, а также включает белки клеточной стенки, расположенные преимущественно на ее поверхности (см. схемы рис. 6 и 7 ).
Пептидогликан (муреин): сложный полимер, имеющий трехмерную структуру и представляющий собой «ткань» (см. рис. 10 ), в составе которой линейные полисахаридные цепи «сшиты» между собой олигопептидами. Линейные полисахаридные цепи представлены чередующимися гексозными остатками (N -ацетил-глюкозамин и N -ацетил-мурамовая кислота), соединенными β-гликозидными связями (являются субстратом фермента лизоцима). К каждому остатку N -ацетил-мурамовой кислоты присоединен олигопептид (тетрапептид ), включающий несколько уникальных аминокислот, в т.ч. D -изомер аланина (см. рис. 11 и 12). Ковалентное связывание тетрапептидов соседних цепей приводит к образованию поперечных пептидных мостиков/сшивок. В результате формируется сплошной жесткий каркас /«корсет»/, окружающий клетку со всех сторон. Процесс образования поперечных пептидных мостиков осуществляется с помощью ферментов транспептидаз и карбоксипептидаз, располагающихся в периплазматическом пространстве и отвечающих за образование пептидной связи между аминокислотными остатками тетрапептидов соседних полисахаридных цепей. Каждая бактерия имеет набор из транспептидаз и карбоксипептидаз нескольких типов, в т.ч. латеральных (функционируют на «условно» боковых поверхностях клетки), участвующих в синтезе пептидогликана при росте (увеличении размера) клетки, и терминальных , функционирующих в процессе деления и обеспечивающих образование перегородки между дочерними клетками.
Транспептидазы и карбоксипептидазы клеточной стенки являются пенициллин-связывающими белками (ПСБ ), т.к. они служат мишенью действия антибиотика пенициллина и всех родственных ему антибиотиков, относящихся к группе β-лактамов .
Для увеличения размера каркаса при росте бактериальной клетки требуется постоянно «разрезать» полисахаридные цепи пептидогликана и «вшивать» новые субъединицы. Этот процесс осуществляется с помощью ферментов пептидогликан-гидролаз, расположенных также в периплазматическом пространстве и известных под названием «аутолизины ». Сбалансированная работа транспептидазы / карбоксипептидаз и аутолизинов обеспечивает координированное увеличение размеров пептидогликанового каркаса, соответствующее увеличению биомассы клетки. В клеточной стенке фирмикутных бактерий пептидогликан многослоен (содержит более 40 слоев линейных полисахаридных цепочек, прошитых олигопептидными мостиками) и составляет примерно 50% массы клеточной стенки
Функции пептидогликана :
Определяет форму бактериальной клетки («наружный скелет»)
Придает клеточной стенке механическую прочность
Защищает от осмотического лизиса при попадании бактерии в среду с низкой осмолярностью (гипотонический раствор), в т.ч. в пресную воду.
Является «молекулярным ситом»: служит непроницаемым барьером для макромолекул, но легко пропускает любые низкомолекулярные вещества.
Свойства пептидогликана:
Общий антиген большинства бактерий
Маркер доминиона Bacteria для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон
Эндотоксин (фрагменты пептидогликана распознаются паттерн-распознающими рецепторами (TLR-2, Nod , C3) и оказывают опосредованное токсическое действие на организм хозяина
Тейхоевые кислоты : линейные полимеры многоатомных спиртов (глицерина или рибитола), содержащие разнообразные боковые радикалы. Состав боковых радикалов определяет уникальную структуру тейхоевой кислоты. Тейхоевые кислоты пронизывают пептидогликан и выступают на поверхность клеточной стенки. Липотейхоевые кислоты : тейхоевые кислоты, ковалентно соединенные с фосфолипидами в составе ЦПМ (т.е. имеющие липидный якорь), пронизывающие пептидогликан и выступающие на поверхность клеточной стенки.
Функции тейхоевых и липотейхоевых кислот:
Адгезия : специфическое прилипание к поверхности другой бактерии, клеткам или молекулам межклеточного вещества в организме хозяина.
Гидрофобные свойства поверхности и некоторое ограничение проницаемости клеточной стенки
Придают клеточной стенке дополнительную механическую прочность.
Свойства тейхоевых и липотейхоевых кислот
Индивидуальный антиген: определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
Маркер фирмикутных бактерии для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон) -
Эндотоксины фирмикутных бактерий (распознаются паттерн-распознающими рецепторами (TLR -1/6, C3) и оказывают опосредованное токсическое действие на организм хозяина
Белки клеточной стенки: пронизывают пептидогликан или располагаются на его поверхности
Функции белков клеточной стенки: Адгезия: специфическое прилипание к поверхности
А) другой бактерии (в частности, объединение бактерий в характерные группы, например, формирование возбудителем дифтерии Corynebacteriumdiphtheriaeгрупп, напоминающих китайские иероглифы) = когезия.
Б) клеткам или молекулам межклеточного вещества в организме хозяина (например, фибронектин-связывающий белок (ФСБ), ламинин-связывающий белок (ЛСБ), белки-аналоги интегринов и др. на поверхности патогенных бактерий).
Свойства белков клеточной стенки : Индивидуальный антиген: определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
Организация и основные компоненты клеточной стенки грациликутных бактерий
Клеточная стенка грациликутных бактерий представлена тонким (2-5 нм) слоем пептидогликана , снаружи покрыта наружной мембраной клеточной стенки , с которой ковалентно связан липополисахарид (ЛПС), образующий на ее поверхности сплошной гидрофильный слой толщиной 20-30 нм. Периплазматическое пространство располагается между ЦПМ и наружной мембраной клеточной стенки ( рис.14-17 ), и в него полностью погружен пептидогликан (рис.15).
Пептидогликан (муреин): принципиально не отличается по химическому составу, строению, свойствам, функциям и метаболизму от пептидогликана фирмикутных бактерий. Представлен значительно меньшим количеством слоев (обычно, 2-3 слоя), составляет 1-3% от массы клеточной стенки. В процессе метаболизма пептидогликана у грациликутных бактерий принимают участие такие же ферменты (транспептидазы / карбоксипептидазы и пептидогликан-гидролазы (аутолизины) , как и у фирмикутных.
Наружная мембрана клеточной стенки (НМКС). Имеет типичное строение элементарной мембраны. Особенности : в наружном листке бислоя значительная часть фосфолипидов замещена липидом А , присутствие которого стабилизирует мембрану, снижает ее текучесть /повышает вязкость/ и снижает проницаемость в
10 раз по сравнению с ЦПМ. Белки в составе наружной мембраны клеточной стенки (НМКС) делятся на конститутивные (присутствуют постоянно, независимо от условий) и индуцибельные (появляются при наличии потребности в них, т.е. их наличие или отсутствие определяются условиями существования бактерии). К числу конститутивных белков наружной мембраны клеточной стенки относятся порины , образующие в мембране гидрофильные каналы малого диаметра, через которые свободно проходит вода и небольшие гидрофильные молекулы (моно- и дисахариды, аминокислоты, азотистые основания, неорганические ионы и др.). К числу индуцибельных белков наружной мембраны клеточной стенки относятся, в частности:
Сидерофоры , участвующие в транспорте через НМКС ионов железа Транспортные белки, участвующие в переносе через НМКС определенных типов молекул, в т.ч. макромолекул.
Адгезионные белки, служащие для связывания с определенным рецептором на поверхности другой бактерии или в тканях хозяина.
Свойства наружной мембраны клеточной стенки :
Нестабильность: легко разрушается под действием механических и химических (в т.ч. детергенты) факторов, при недостатке влаги. Избирательная проницаемость. Представляет непроницаемый барьер для крупных молекул, превышающих диаметр пориновых каналов.
Белки наружной мембраны клеточной стенки обладают свойствами антигенов : это индивидуальные антигены, определяющие антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара). Липид А является маркером грациликутных бактерии для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Липид А является эндотоксином грациликутных бактерий (распознается паттерн-распознающим рецептором (TLR-4/CD14, C3) и оказывает опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
Порины являются маркерами и эндотоксинами грациликутных бактерий
Функции наружной мембраны клеточной стенки :
Барьерная : Поддержание постоянства состава и физико-химических свойств периплазматического пространства.
Химическая защита: препятствует проникновению и, т.о., защищает от вредных химических соединений.
Транспортная:
- За счет поринов обеспечивает пассивное проникновение низкомолекулярных гидрофильных веществ. -
- за счет специализированных каналов обеспечивает секрецию и/или доставку в клетку макромолекул
Адгезия: специфическое прилипание к поверхности другой бактерии, клеткам и/или молекулам межклеточного вещества в организме хозяина.
Липополисахаридный слой . С липидом А, являющимся компонентом наружного листка фосфолипидного бислоя наружной мембраны клеточной стенки, ковалентно связана полисахаридная молекула сложного состава. В результате образуется липополисахарид (ЛПС), формирующий сплошной гидрофильный слой на поверхности клеточной стенки большинства грациликутных бактерий (рис. 17). Полисахаридный фрагмент ЛПС включает 3 участка (см. рис. 16): внутреннее олигосахаридное ядро, наружное олигосахаридное ядро и повторяющиеся боковые полисахаридные цепи (О-антиген). Ядерные олигосахариды ЛПС присутствуют и идентичны по химическому составу и строению у всех грациликутных бактерий. Боковые повторяющиеся полисахаридные цепи имеют уникальный химический состав и строение и определяет химическую индивидуальность и специфичность каждой бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара). При определенных условиях бактерии, имеющие полноценный ЛПС, могут утрачивать боковые полисахаридные цепи (О-антиген). У некоторых бактерий боковые углеводные цепи короткие, т.е. представляют собой олигосахариды, в этом случае формируется липо-олигосахарид (ЛОС).
Функции ЛПС и ЛОС :
Химическая защита: - препятствует разрушению фосфолипидного бислоя НМКС под действием детергентов, в т.ч. желчи в кишечнике человека и животных. - препятствует диффузии через НМКС гидрофобных молекул, в т.ч. антибиотиков (пенициллин, макролиды).
Адгезия: специфическое прилипание к поверхности другой бактерии, клеткам и/или молекулам межклеточного вещества в организме хозяина
(NB !!! Следует помнить, что ЛОС не обеспечивает химической защиты, т.е. бактерии, имеющие ЛОС вместо ЛПС, чувствительны к детергентам и проницаемы для гидрофобных молекул, включая антибиотики)
Свойства ЛПС и ЛОС :
- Индивидуальный антиген (О-антиген): определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
- Является маркером (липид А в составе ЛПС) грациликутных бактерии для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
- Является эндотоксином ( липид А в составе ЛПС) грациликутных бактерий (распознается паттерн-распознающим рецептором (TLR-4/CD14) и оказывает опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
- Распознается антирецепторами бактериофагов и может быть использован последними в качестве рецептора для адсорбции.
Организация и основные компоненты клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий
Клеточная стенка кислотоустойчивых бактерий (представители семейства Mycobacteriaceae ) представлена тонким слоем пептидогликана , с которым ковалентно связан слой полисахарида арабиногалактана * . К последнему ковалентно присоединены миколовые кислоты * - необычные высокомолекулярные (60-90 атомов углерода) разветвленные жирные кислоты, покрывающие всю поверхность клеточной стенки сплошным гидрофобным слоем. Гликолипиды сложного состава, нековалентно связанные с миколовыми кислотами , образуют второй липидный слой клеточной стенки. В результате формируется атипичная мембраноподобная структура , имеющая значительную толщину (более 10 нм) и очень высокую вязкость / низкую текучесть. Эта структура отличается повышенной стабильностью и крайне низкой проницаемостью. Представляет собой непреодолимый барьер для всех высокомолекулярных и подавляющего большинства низкомолекулярных соединений, включая спирты, кислоты, щелочи, антисептики/дезинфектанты и большинство антибиотиков. Только малые гидрофобные молекулы, в т.ч. некоторые антибиотики (рифампицин), способны растворяться в этих липидах и, т.о., дифундировать через липидный бислой клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий. Липидный бислой клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий пронизан белками, сходными с поринами наружной мембраны клеточной стенки грациликутных бактерий. Эти пориноподобные белки образуют каналы малого диаметра, обеспечивающие диффузию мелких гидрофильных молекул. Слабо разветвленные полимерные молекулы полисахарида арабиноманнана, ковалентно связанные с липидами ЦПМ, формируют липоарабиноманнан (ЛАМ), пронизывающий клеточную стенку и выступающий над ее поверхностью. Белки/липопротеины клеточной стенки располагаются преимущественно на ее поверхности.
Функции и свойства основных компонентов клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий
Пептидогликан (муреин): незначительно отличается по химическому составу и принципиально не отличается по строению, свойствам, функциям и метаболизму от пептидогликана фирмикутных и грациликутных бактерий. Тонкий, представлен малым количеством слоев (обычно, 2-3 слоя), составляет менее 1% от массы клеточной стенки. В процессах метаболизма пептидогликана у кислотоустойчивых бактерий принимают участие такие же ферменты ( транспептидазы / карбоксипептидазы и пептидогликан-гидролазы (аутолизины) , как у фирмикутных и грациликутных.
Арабиногалактан* : обеспечивает интеграцию всех слоев клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий в единую структуру. Разрушение арабиногалактана приводит к дезинтеграции клеточной стенки, резкому снижению ее механической прочности и значительному повышению ее проницаемости, в т.ч. для антибиотиков.
Миколовые кислоты *:
определяют химическую инертность (в.т.ч. спирто-, щелоче- и кислотоустойчивость), стабильность, механическую прочность, гидрофобность и низкую проницаемость клеточной стенки.
Являются маркерами кислотоустойчивых бактерии для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Являются эндотоксинами кислотоустойчивых бактерий (распознаются паттерн-распознающими рецепторами ( TLR -1/6) и оказывают опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
Гликолипиды клеточной стенки : формируют наружный слой мембраноподобной структуры в составе клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий
Необходимы для приобретения клеточной стенкой химической инертности, стабильности, механической прочности, гидрофобности и низкой проницаемости.
Являются антигенами: определяет антигенную специфичность бактерии.
Являются маркерами кислотоустойчивых бактерии для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Являются эндотоксинами кислотоустойчивых бактерий (распознаются паттерн-распознающими рецепторами ( TLR -1/6) и оказывают опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
Пориноподобные белки :
Обеспечивают проницаемость клеточной стенки для малых гидрофильных молекул.
Могут также выполнять функцию адгезинов , т.е. участвовать в прилипании к др. бактериям или тканям хозяина.
Являются антигенами: определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
Являются маркерами кислотоустойчивых бактерии для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Являются эндотоксинами кислотоустойчивых бактерий (распознаются паттерн-распознающими рецепторами и оказывают опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
Липоарабиноманнан (ЛАМ):
Адгезин - участвует в специфическом прилипании к поверхности другой бактерии, клеткам и/или молекулам межклеточного вещества в организме хозяина.
Является маркером кислотоустойчивых бактерии для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Является эндотоксином кислотоустойчивых бактерий (распознается паттерн-распознающими рецепторами ( TLR -1/6) и оказывает опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
Поверхностные белки и липопротеины клеточной стенки :
участвуют в формировании мембраноподобной структуры в составе клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий,
необходимы для адгезии - специфического прилипания к поверхности другой бактерии, клеткам и/или молекулам межклеточного вещества в организме хозяина.
Являются антигенами: определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
Являются маркерами кислотоустойчивых бактерии для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Являются эндотоксинами кислотоустойчивых бактерий (распознаются паттерн-распознающими рецепторами и оказывают опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
Дополнительные оболочки бактерии .
S -слой (от англ. surface - поверхность): сравнительно тонкая оболочка, образованная белками, способными к самоорганизации (самосборке) в кристаллоподобные структуры. Белки S -слоя образуют на поверхности клеточной стенки большинства бактерий мономолекулярную кристаллическую решетку (см. рис.1-3), имеющую отверстия, достаточные для проникновения малых молекул. S -слой обнаружен у большинства бактерий независимо от наличия и типа организации клеточной стенки.
Функции S -слоя :
Механическая защита: придает клетке дополнительную прочность и стабильность.
Химическая защита: препятствует проникновению в клетку крупных молекул.
Адгезия: специфическое прилипание к поверхности другой бактерии, клеткам и/или молекулам межклеточного вещества в организме хозяина
Свойства белков S -слоя :
Индивидуальный антиген: определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
Маркер бактерий для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Эндотоксин бактерий (распознается паттерн-распознающими рецепторами и оказывает опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
Распознается антирецепторами бактериальных вирусов (бактериофагов) и может быть использован последними в качестве рецептора для адсорбции.
S -слой, вероятно, является эволюционно наиболее древней оболочкой клеток прокариотического типа
S-слой есть у всех представителей доминиона Archaea, включая и тех, у которых клеточная стенка отсутствует.
Уникальные свойства белков S-слоя нашли широкое применение в биотехнологии, в частности, при создании наноматериалов.
Капсула/ капсулоподобная оболочка / экзополисахарид
Наружная оболочка бактериальной клетки, расположенная поверх клеточной стенки и S -слоя (рис.4-9).
Капсула (микрокапсула или макрокапсула) :
Химический состав : у большинства бактерий представлена преимущественно гидратированными полисахаридами (вода составляет до 90% от объема капсулы), у отдельных видов - полипептидами простого состава (например, полиглютамином).
Структура : капсульные полисахариды или полипептиды обычно формируют сравнительно упорядоченные фибриллярные структуры, прочно связанные с поверхностью клетки .
Микрокапсула : тонкая оболочка (менее 0,2 мкм, обычно толщина не превышает нескольких нанометров), видна только при электронной микроскопии (см. рис. 4)
Макрокапсула : толстая оболочка (более 0,2 мкм), видна при световой микроскопии (выявляют путем негативного контрастирования по методу Бурри-Гинса) (см. рис. 5)
Капсулоподобная оболочка :
Химический состав : представлена гидратированными (вода составляет до 90% от объема) полисахаридами и/или гликолипидами.
Структура : рыхлая аморфная оболочка, компоненты легко отделяются от поверхности клетки. Может иметь весьма значительную толщину и окружать группы бактерий.
Экзополисахарид : образуется при наличии в окружающей среде избытка свободных углеводов путем их полимеризации на поверхности бактериальной клетки. Процесс полимеризации осуществляют бактериальные экзоферменты (т.е. ферменты, которые бактерия активно выделяет /секретирует/ во внешнюю среду), расположенные не поверхности ее клеточной стенки или S -слоя
Химический состав : полисахарид (вода составляет до 90% от объема). Структура : рыхлая аморфная оболочка, легко отделяется от поверхности клетки, может иметь весьма значительную толщину и окружать группы бактерий.
Функции капсулы/ капсулоподобной оболочки / экзополисахарида :
Во внешней среде - от высыхания, т.к. вода составляет до 90% от объема оболочки.
В организме хозяина - от факторов иммунитета.
Капсулоподобная оболочка может химически связывать/адсорбировать малые молекулы (в т.ч. антибиотики) и т.о. препятствовать их проникновению в клетку
Адгезия : неспецифическое прилипание к любой поверхности, в т.ч. химически инертной (искусственные полимерные материалы, используемые для изготовления эндопротезов), очень гладкой (эмаль зуба) и/или обладающей антиадгезионными свойствами (эндотелий сосудов).
Свойства капсулы/капсулоподобной оболочки / экзополисахарида :
Индивидуальный антиген: определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
Маркер бактерий для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Эндотоксин бактерий (распознается паттерн-распознающими рецепторами и оказывает опосредованное токсическое действие на организм хозяина). - Распознается антирецепторами бактериальных вирусов (бактериофагов) и может быть использован последними в качестве рецептора для адсорбции.
Нитевидные поверхностные структуры бактериальной клетки
Жгутики
Органоиды движения – нитевидные белковые образования на поверхности бактериальной клетки, закрепленные в ЦПМ и клеточной стенке при помощи базального тельца (см схему рис. 10).
Базальное тельце – сложная белковая структура, имеющая в своем составе, помимо прочего, «двигатель», обеспечивающий процесс непосредственного преобразования энергии электрохимического протонного градиента ЦПМ в механическую энергию вращения нити жгутика с КПД > 90%.
Жгутик состоит из белкового стержня , проходящего через все слои ЦПМ и клеточной стенки и закрепленного в оболочках бактериальной клетки при помощи системы белковых дисков . К дистальному участку стержню прикреплен белковый крюк , к которому, в свою очередь, крепится белковая нить жгутика .
У фирмикутных бактерий обнаружены 2 диска: М-диск (от англ. membrane motor – мембранный мотор) встроен в ЦПМ и выполняет функцию электро-химического двигателя, Р-диск (от англ. peptidoglycan - пептидогликан) закреплен в слое пептидогликана.
У грациликутных – 4: помимо названных, есть еще S -диск (от англ. space – пространство), расположенный на границе ЦПМ и периплазматического пространства, и L -диск (от англ. lipid – липидный), закрепленный в наружной мембране клеточной стенки.
Основным структурным компонентом нити жгутика является белок флагеллин – глобулярный белок, уложенный по спирали так, что образуется тонкая (10-30 нм) и гибкая нитевидная структура, имеющая в центре узкий канал. Длина нити жгутика достигает 15-20 мкм. Жгутики хорошо видны при электронной микроскопии (рис. 12, 14-16), но могут быть обнаружены также с помощью световой микроскопии в проходящем свете при использовании метода импрегнации, позволяющего увеличить видимый диаметр структуры за счет кристаллизации на ее поверхности большого количества солей или окислов металлов (рис. 11), или с помощью люминесцентной микроскопии (рис. 13).
Функции жгутика :
Движение . Белки М-диска, раскачиваясь, вращают стержень, движение которого передается через крюк на нить жгутика. Т.о., нить жгутика вращается, подобно пропеллеру, и тело бактерии, в результате, вращается в противоположную сторону и одновременно перемещается поступательно.
Адгезия. Жгутик у некоторых бактерий при определенных условиях может утрачивать подвижность и участвовать в специфическом взаимодействии с рецепторами на клетках хозяина и/или молекулами межклеточного вещества.
Свойства жгутика :
Индивидуальный антиген: флагеллин определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
Маркер бактерий для иммунной системы (паразит-ассоциированный молекулярный паттерн/шаблон)
Эндотоксин бактерий (распознается паттерн-распознающим рецептором ( TLR -5) и оказывает опосредованное токсическое действие на организм хозяина).
Распознается антирецепторами бактериальных вирусов (бактериофагов) и может быть использован последними в качестве рецептора для адсорбции.
Пили / фимбрии (реснички / ворсинки)
Пили (от лат. pilus – волосок) / фимбрии (от лат. fimbriae – нити, бахрома) нитевидные белковые образования на поверхности бактериальной клетки, не имеющие базального тельца и служащие для адгезии.
Пили / фимбрии обычно тоньше жгутиков и видны только при электронной микроскопии (рис.17,18).
Функции ресничек:
Адгезия. Белки ресничек способны специфически взаимодействовать с рецепторами на поверхности другой бактерии (когезия), на клетках хозяина и/или с молекулами межклеточного вещества.
Свойства ресничек:
Индивидуальный антиген: белок ресничек определяет антигенную специфичность бактерии – видовую и/или характерную для данного биовара (серовара).
Распознается антирецепторами бактериальных вирусов (бактериофагов) и может быть использован последними в качестве рецептора для адсорбции.
Распознавание чужого в системе неспецифического иммунитета
Паразит-ассоциированные молекулярные паттерны и паттерн-распознающие рецепторы.
В ходе длительной ко-эволюции многоклеточные организмы выработали системы опознания молекул, характерных для микробов и отсутствующих в организме хозяина.
Эти молекулы стали обозначать термином "паразит-ассоциированные молекулярные паттерны" (РАМР - Pathogen-Associated Molecular Patterns).
Опознание РАМР можно условно назвать "неспецифическим", поскольку эти молекулы характеризуют не индивидуальный организм, а доминионы, царства, порядки и т.п.
Основные виды РАМР
Пептидогликан [ПГ] - общий компонент клеточных стенок бактерий (фрагмент - мурамил-тетрапептид) : маркер доминиона Bacteria
Липид А - компонент наружной мембраны клеточной стенки грациликутных бактерий: маркер грациликутных бактерий
Липотейхоевые и тейхоевые кислоты [ЛТК/ТК] - компонент клеточной стенки фирмикутных бактерий: маркер фирмикутных бактерий
Миколовые кислоты и их производные [МК] - компонент клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий: маркер кислотоустойчивых бактерий
Гликолипиды [ГЛ] (в частности, липоарабиноманнан /ЛАМ/) - компонент клеточной стенки кислотоустойчивых бактерий и гликокаликса простейших: маркер кислотоустойчивых бактерий и простейших
Несиализированные полисахариды [нсПС] (т.е. полисахариды, лишенные концевых сиаловых (=нейраминовых) кислот) - компонент бактериальных капсул и гликокаликса простейших: маркер капульных бактерий и простейших
Бактериальная ДНК (неметилированные фрагменты CpG): маркер доминиона Bacteria
Двунитевые РНК: маркер РНК-содержащих вирусов
Организм хозяина опознает РАМР с помощью ограниченного числа клеточных рецепторов, получивших название "паттерн-распознающие рецепторы" (PRR -Pattern-Recognition Receptors).
Работа неспецифического звена системы иммунитета организована таким образом, что компоненты ее не активируются до тех пор, пока не получают сигнал от PRR. В результате, в норме* атака направлена именно против микробов, тогда как толерантность (терпимость) распространяется как на собственные молекулы, так и на чужеродные, но безопасные (компоненты пищи, одежды, лекарства, растения и проч.).
* Вывод 1: недостаточная микробная нагрузка на организм, особенно в детстве, приводит к нарушению нормальной регуляции и значительному возрастанию вероятности активации системы в ответ на безопасные молекулы - собственные либо безвредные чужеродные. Т.о. увеличивается риск развития аутоиммнных и аллергических заболеваний.
Паттерн-распознающие рецепторы (PRR) присутствуют (экспрессированы) как на ЦПМ различных клеток, так и в цитозоле, т.о. микроб опознается и вне клетки, и внутри, и система иммунитета реагирует как на внеклеточных паразитов, так и на внутриклеточных.
План изучения свойств микроорганизмов – возбудителей болезней человека
представляет собою упорядоченный набор обязательных сведений, имеющих важное значение для практической медицины и для работы врача-клинициста.
1. Название микроба (латинское название с использованием бинарной номенклатуры) и его таксономическое положение (доминион, порядок, семейство, род).
2. Классификация внутри вида: основные биовары (если есть) – серовары, патовары, резистовары, фаговары etc.
3. Морфологические признаки:
формa
размер
группировка (если есть)
для бактерий: наличие и тип клеточной стенки и тинкториальные свойства
наличие дополнительных оболочек: капсулы, капсулоподобных оболочек, экзополисахарида
наличие специализированных поверхностных структур: ресничек, жгутиков
наличие эндоспор
4. Физиологические особенности:
Скорость роста в оптимальных условиях
Требования к условиям обитания: потребность в кислороде, оптимальная температура и допустимый диапазон температур, потребность в специальных питательных веществах («факторах роста»).
Способность к спорообразованию
Чувствительность к действию неблагоприятных физических и химических факторов внешней среды: - высоких и/или низких температур, радиации (в т.ч. ультрафиолетового излучения) - высыхания (недостатка воды),
- кислорода
- кислот, щелочей, спиртов и др. агрессивных химических веществ
- антисептикови дезинфектантов
Способность выживать и сохраняться вне организма хозяина
5. Особенности культивирования:
Способность к росту на искусственных питательных средах
Способность к росту на основных питательных средах
Потребность в специальных (элективных) питательных средах или условиях культивирования [Основные понятия: неприхотливые = непривередливые микроорганизмы: способны расти на основных питательных средах в присутствии атмосферного воздуха при температуре 35-37ºС. прихотливые = привередливые микроорганизмы: все остальные, т.е.те, которые- растут только на элективных питательных средах - растут только в атмосфере специального состава
- не растут на искусственных питательных средах
- не растут в лабораторных условиях]
6. Экологические особенности: основное место обитания (экологическая ниша)
[Основные варианты экологии патогенных микробов:
- обитают только в организме человека: антропонозные микробы;
- обитают в организме животных определенных видов: зоонозные микробы;
- обитают во внешней среде (в т.ч. в организме свободноживущих протист и нематод: сапронозные микробы]
Для антропонозных микробов: локализация в организме человека
7. Эпидемиологические особенности: механизмы, пути и способы заражения человека; входные ворота инфекции.
[Основные способы заражения человека:
экзогенный: - от другого человека – при непосредственном контакте или через окружающую среду, - от животного – при непосредственном контакте или черезокружающую среду,
- из внешней среды
эндогенный: в результате нарушенияэкологии микробов – представителей нормальной микрофлоры организма человека]
8. Вызываемые заболевания с учетом частоты встречаемости (т.е. насколько часто данное заболевание бывает вызванно именно этим микроорганизмом)
9. Факторы вирулентности и их роль во взаимодействии паразит-хозяин:
факторы сближения– мобилины (если есть)
факторы адгезии,
факторы инвазии (если есть),
факторы пенетрации (если есть);
факторы иммунопротекции;
ведущие факторы и механизмы повреждения – прямого и/или опосредованного
10. Защитные реакции организма: основные факторы иммунитета, участвующие в защите, и механизмы их защитного действия, их эффективность.
11. Чувствительность к антибиотикам: наличие видовой устойчивости и распространенность резистоваров.
12. Принципы лабораторной диагностики: материал для лабораторного исследования, наиболее эффективные методы предварительной диагностики и подтверждения диагноза.
[Этот раздел предполагает знание врачом клиницистов основных методов лабораторной диагностики заболеваний микробной природы и представление о возможности и эффективности их применения для диагностики заболеваний, вызванных данным микроорганизмом]
13. Препараты для иммунопрофилактики и иммунотерапии: показания для использования, действующие компоненты и механизм профилактического и/или лечебного действия.
|
Скачать 60.52 Kb.