Морфология бактерий

МОРФОЛОГИЯ, РАЗМНОЖЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРООГАНИЗМОВ. Лекция 2. МОРФОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ 1. Величина и форма бактерий 2. Строение, химический состав и функции структурных компонентов прокариотной клетки; 3. Способы движения бактерий; 4. Образование спор, капсул, слизей, чехлов и их функции; Морфология микроорганизмов – наука, изучающая их форму, строение, способы передвижения и размножения. 1. Величина и форма бактерий Бактерии (от греч. bactron – трость, посох) – представители царства Procaryotae (доядерные), микроорганизмы с примитивной организацией ядерных структур (эубактерии – истинные бактерии). Все известные бактерии разделяют на архибактерии (т.е. древние бактерии) и эубактерии (истинные бактерии, к ним относится большинство современных видов) Бактерии крупнее вирусов, но меньше эукариотной клетки. В среднем линейные размеры бактерий лежат в пределах 0,5-3 мкм, в поперечнике 0,3-1,5 мкм, но среди них есть гигантские виды (500 мкм) – спирохеты и бактерии-карлики (0,12-0,25 мкм) - микоплазмы – внутриклеточные паразиты. 1 мкм = 10-3 мм = 10-6 м Бактерии размножаются делением!!! По форме бактерии бывают шаровидные, палочковидные и извитые. Шаровидные бактерии – кокки. Диаметр их колеблется 0,5-2,5 мкм. В зависимости от расположения и деления клетки они могут быть: 1 2 3 4 1. деление клетки происходит в одной плоскости: Микрококки (одиночные клетки) (рис. 1. - 1); 6 7 8 5 Диплококки (группы из двух клеток) (рис. 1. - 2); Стрептококки (в виде цепочки кле10 ток) (рис. 1. - 4); 9 11 10 2. деление в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: Тетракокки (по четыре клетки) (рис. 1. - 6) 17 14 16 13 15 3. деление происходит относительно равномерно в трех взаимно перРис. 1 Основные формы бактерий (схематическое изображение): пендикулярных плоскостях: 1 – 7 – шаровидные формы: 1 - микрококки; 2 и 3 – диплококки; 4 – стрептококки; 5 – стафилококки; 6 –тетракокки; 7 – сарцины; 8 – 13 – различные виды палочек: Сарцины (пакеты правильной фор8 – 9 – палочковидные, не образующие спор, 10 – 13 – палочковидные спорообразующие; мы); (рис. 1. - 7) 14 – вибрионы; 15 – спириллы; 16 – спирохеты; 17 – нитчатые. Колонии сферической формы 1 4. деление происходит не равномерно в нескольких плоскостях: Стафилаккоки – беспорядочно (в виде виноградной кисти) (рис. 1. - 5). Палочковидные бактерии имеют цилиндрицескую форму. Отличаются соотношением b/a, если b/a = 1 - кокки b a Их длина составляет в среднем 2-5 мкм, реже 8-12 мкм, диаметр 0,5-1 мкм. По взаимному расположению палочековидных бактерий различают:  Монобактерии – одиночно и беспорядочно расположенные палочки; (рис. 1 – 8)  диплобактерии или диплобациллы – парные соединения палочек по одной линии;  стрептобактерии или стрептобациллы – полочки, соединенные в цепочку различной длинны (рис. 1 – 9). Палочковидные бактерии могут быть: не образующие споры (рис. 1. – 8-9) и спороорбазующие. Спороорбазующие палочковидные бактерии подразделяются на бациллы (от лат. bacillus – палочка) (рис. 1 – 11) и клостридии (от греч. kloster - веретено) (рис. 1 – 10). Извитые бактерии по форме бывают:  вибрионы, если изгиб их клеток не превышает половины окружности (палочки в виде запятой); (рис. 1 – 14)  спириллы, если клетки имеют несколько правильных завитков (до 5); (рис. 1 – 15)  спирохеты имеют изгибы, равные одному или нескольким оборотам спирали (длинные и тонкие извитые формы с многочисленными мелкими завитками) (5-8 витков) (рис. 1 – 16) Бактерии имеющие другую форму.  Стебельковые бактерии;  Простекобактерии – бактерии с выростами;  Звездообразной формы;  Форму замкнутого или незамкнутого кольца;)  Червеобразной формы;  Ветвистая форма – или переходная форма между бактериями и грибами, это актиномицеты (от греч. actis – луч и myker – гриб); Полиморфисты – микоплазмы и L-формы. У микоплазм клеточная стенка отсутствует совсем (эти микроорганизмы являются часто патогенными для животных и человека). L-формы получены искусственным путем – обработкой химическими соединениями, разрушающими клеточную стенку или подавляющими синтез веществ, являющихся необходимыми компонентами. У полиморфистов клеточная стенка эластичная, что позволяет в зависимости от условий внешней среды менять форму. Многоклеточные прокариоты – миксобактерии; – нитчатые бактерии (рис. 1 – 17). 2. Строение, химический состав и функции структурных компонентов прокариотной клетки Поверхностные структуры – структуры клетки, расположенные снаружи от ЦПМ (клеточная стенка, капсулы, слизистый чехол, жгутики, ворсинки). 2 Клеточная стенка – все слои, располагающиеся с внешней стороны от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистые чехлы ЦПМ Клеточная стенка Рибосомы Мезосомы Протопласт – ЦПМ вместе с цитоплазмой. Бактериальная клетка на 70-85 % состоит из воды. Сухое вещество бактерий – это в основном полимеры: - Белки – 50%; - РНК 10-20 %; - Компоненты клеточных стенок - ДНК 3-4%; 10-20 %; - Липиды 10%. В состав бактериальной клетки входят следующие химические элементы (основные органогены клетки): - Углевод 50 %; - Кислород 20 %; - Азот 14 %; - Водород 8 %; - Фосфор 3 %; - Калий 1 %; - Кальций 0,5 %; - Железо 0,2 % 3 Клеточная стенка (Кст) – плотная оболочка отделяет клетку от внешней среды. Она имеется у всех бактерий кроме микоплазм, сапрофитов и внутриклеточных паразитов растений, животных, человека. На долю клеточной стенки приходится 550% сухих веществ клетки. Содержимое клетки (протопласт) плотно прилегает к клеточной стенке и придает ей упругость. Функции клеточной стенки:  Придает форму клетке;  Поддерживает гомеостаз (постоянство) внутри клетки; защищает клетку от проникновения в неё избытка воды. При нарушении баланса между осмотическим давлением внутри клетки (Р1) и давлением окружающей среды (Р2) может наступить гибель клетки. Если Р2 – осмотическое давление окружающей среды ˃˃ Р1– осмотического давления внутри клетки, то наступает плазмолиз. Из-за выравнивания давления внутри и вне клетки из клетки выходит свободная вода, в результате протопласт сожмется и плазматическая мембрана отделится от клеточной стенки. Биохимические реакции прекращаются, клетка гибнет или приостанавливает свою жизнедеятельность. плазмолиз плазмоптиз Р1 Р2 Н 2О Р1 Р1 Р2 Р2 Н2О Р1 Р2 Если Р1 Р2 в клетку поступает вода, она набухает и разрывается - этот процесс называется плазмоптиз.  Механически предохраняет от воздействий окружающей среды;  Участвует в обмене веществ клетки с окружающей средой. В зависимости от строения клеточной стенки бактерии делятся на две группы:  грамположительные Г+ при окраске по Граму приобретают фиолетовый цвет;  грамотрицательные Г-  розовый. У грамположительных бактерий 2 3 4 (рис. 2) клеточная стенка плотно прилегает 1 к ЦПМ. Основную массу их клеточной стенки составляет пептидогликан (муреин) – гетерополимер. У грам-положительных бактерий доа б ля муреиновой сетки составляет 40-90 % 5 СВ и скомпонована муреиновая сетка в 40 Рис.2 Общий вид клеточной стенки грамположитель- слоев. ных (а) и грамотрицательных (б) бактерий: Клеточная стенка грамотрицательных 1 – ЦПМ; 2 - пептидогликан; 3 – периплазматическое пространство; 4 – наружная мембрана; 5 - ДНК бактерий содержит не более 10 % CВ пептидогликана, расположен в 1-2 слоя. С наружной стороны клеточной стенки грамотрицательных бактерий располагается наружная мембрана. 4 Цитоплазма – внутреннее содержимое клетки, окруженное ЦПМ. Это неоднородный белковый раствор. Она содержит различные включения, ферменты, пронизана мембранами (мезосомами), содержит ядерную структуры и рибосомы. Функции цитоплазмы:  у прокариот в цитоплазме осуществляются все реакции обмена веществ;  в ней распределены растворимые и нерастворимые компоненты клетки. Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) – отделяет содержимое клетки от клеточной стенки. Это обязательный структурный компонент любой клетки, нарушение целостности которого приводит к потере клеткой жизнеспособности. На долю ЦПМ приходится 8-15% сухого вещества клетки. Функции ЦПМ:  участвует в обмене веществ между клеткой и внешней средой:  является осмотическом барьером клетки;  контролирует поступление и вывод различных веществ клетки;  в ней имеются механизмы активного транспорта и системы субстратспецифичных пермиаз;  внутри или на поверхности ЦПМ находятся ферменты переноса электронов и окислительного фосфорилирования  обеспечивает единство клетки;  является одним из компонентов аппарата генерирования электрохимической энергии (АТР);  принимает участие в репликации и последующем разделении хромосом прокариотной клетки.  К ней прикреплены жгутики. По химическому составу ЦПМ – белково-липидный комплекс, в котором белки составляют 50-75%, липиды – 15-45%. Рибосомы - органеллы, представляющие собой комплексы рибонуклеиновых кислот (РНК) и белка. Расположены в цитоплазме представлены в виде мелких гранул. Соединения нескольких рибосом называют полисомами. Функции рибосом: осуществляют синтез белка. Нуклеотид (Ядерный (генетический) аппарат), представлен двойной спиралью ДНК, в виде ковалентно замкнутого кольца, свободно располагающегося в цитоплазме. Вся генетическая информация располагается в одной молекуле ДНК, которая называется бактериальной хромосомой. У бактерии наряду с хромосомной ДНК могут присутствовать дополнительные внехромосомные ДНК, представленные двойными спиралями, замкнутыми в кольцо. Эти автономно реплицирующиеся ДНК называются плазмидами. Рибосомы, мембраны относятся к нерастворимой части цитоплазмы. К растворимой принадлежат ферменты и растворимая РНК. Мезосомы имеются у некоторых бактерий – это внутриклеточные складки клеточной мембраны (мембранные структуры). Формируются из ЦПМ в процессе размножения и роста клетки. Функции: участвуют в транспорте электронов при биологическом окислении (дыхании). Запасные питательные вещества – полисахариды, полифосфаты, жиры и сера. Они находятся в инертной форме, т.е. нерастворимом состоянии. Они откладываются 5 в клетке при наличии большого количества питательных веществ в среде и используются когда клетка попадает в условия голодания. III. Способы движения бактерий Бактерии могут быть неподвижными и подвижными. Подвижностью обладают извитые формы бактерий, полочковидные – не все, шаровидные формы – неподвижны, за исключением некоторых (Sarcina ureae). Активное движение бактерий – поступательное. Подвижность бактерий обеспечивается различным образом. По способу движения бактерии разделяются на:  Плавающие: органами движения являются жгутики (производные эктоплазмы клетки);  Скользящие (ползающие): подвижность обеспечивают волнообразные сокращения тела. К ним относятся миксобактерии, цианобактерии; Спирохеты осуществляют движение за счет вращения фибрилл. С их помощью спирохеты могут изгибаться и передвигаться змееобразно или толчками. Строение жгутиков Жгутики представляют собой извитую нить, приводимую во вращательное движение “мотором”, находящимся в месте прикрепления в плазматической мембране. Скорость вращения около 3000 об/мин. Нити жгутиков состоят из специфического белка флагеллина, имеющего вид спирали (рис.3). Толщина их 0,013 мкм, длина 5-50 мкм. Спиральная нить (фибрилла) у поверхно2 Рис. 3 Строение жгутика грам-отрицательных сти клеточной стенки пе1 прокариот: реходит в утолщенную 6 5 12 1 – нить; 2 – крюк; 3 – базальное тело; 4 – изогнутую структуру – 11 стержень; 5 – L-кольцо; 6 – P-кольцо; 7 – Sкрюк. С его помощью 3 кольцо; 8 – M-кольцо; 9 – ЦПМ; 10 – пери4 плазматическое пространство; 11 – пептидог- нить прикреплена к ба10 ликановый слой; 12 – наружная мембрана зальному телу, вмонтиро9 ванному в ЦПМ и кле8 7 точную стенку. Крюк обеспечивает гибкое соединение нити с базальным телом. Базальное тело содержит 912 различных белков и состоит из 2 или 4 колец нанизанных на стержень, являющегося продолжением крюка. Два внутренних кольца М и S – обязательные составные части базального тела, наружные кольца P и L отсутствуют у Г+ бактерий. Вращение жгутика определяется вращением М-кольца. Другие кольца неподвижны и служат для крепления стержня. Положение жгутиков – таксономический признак. В зависимости от положения жгутиков бактерии делятся на:  Монотрихи – один жгутик прикреплен к одному полюсу;(монополярное монотрихальное)  Лофотрихи (расположен на одном полюсе клетки пучек);(монополярное политрихальное)  Амфитрихи (на каждом полюсе по пучку);(биполярное политрихальное) 6  Перитрихи – жгутики расположены по всей поверхности клетки или вдоль её боковой поверхности (перитрихальное) Свободно передвигающиеся бактерии способны к таксисам – направленным движениях, определяемым внешними стимулами. Различают хемотаксис, аэротаксис, фототаксис и магнитотаксис. IV. Образование капсул, слизи, чехлов, спор и их функции Капсула – слизистое образование с высоким содержанием воды, состоящее из полисахаридов, полипептидов и неорганических кислот: уроновой, уксусной, пировиноградной. Она обволакивает клетку и сохраняет связь с клеточной стенкой. Химический состав капсул у разных бактерий неодинаков. Основную роль в организации капсул бактерий играет ЦПМ. В зависимости от толщины слоя и прочности соединения с бактериальной клеткой различают три вида капсул:  микрокапсулы – меньше 0,2 мкм. Ее можно обнаружить лишь при электронной микроскопии или выявляемую химическими и иммунологическими методами.  макрокапсулы – толщина образования больше 0,2 мкм, видима в световом микроскопе;  слизистые слои (слизи) имеют аморфный бесструктурный вид и легко отделяются от поверхности прокариотной клетки. Образование капсул зависит от условий развития и питания бактерий. У некоторых видов капсула образуется при большом количестве углеводов и низком содержании белков в питательной среде. Капсулы многих бактерий выполняют защитную функцию от неблагоприятного воздействия внешней среды (пересыхания), фагов, токсических веществ и т.д. У некоторых видов бактерий, в том числе и патогенных, капсула способствует прикреплению клеток к субстрату. Капсула — служит местом локализации капсульных антигенов, определяющих вирулентность, антигенную специфичность и иммуногенность бактерий. Утрата капсулы у патогенных бактерий резко снижает их вирулентность. Капсула не является обязательной структурой бактериальной клетки, ее потеря не приводит к гибели бактерии. Чехлы (влагалища) – слизь, выделяющаяся направлено в виде стебельков или нитей. Образуются вокруг тела некоторых нитчатых бактерий вследствие затвердевания наружных слоев оболочки (явление, обратное капсулообразованию). Они состоят из гетеропилисахарида, содержащего глюкозу, глюкуроновую кислоту, галактозу и фукозу. И капсулы и слизи – экзополисахариды. Капсулы прочно связаны с клеточной стенкой, слизи – не прочно. Споры - тип покоящихся репродуктивных клеток, характеризующихся резко сниженным уровнем метаболизма и высокой резистентностью (устойчивостью к неблагоприятным воздействиям). Споры образуют палочковидные Г+ бактерии, большинство подвижны. Их называют бациллы. При благоприятных условиях бациллы не образуют спор, размножаются делением. Если не хватает питательных веществ или скопилось много продуктов метабо7 лизма, или высокая или низкая температура окружающей среды, действие ядовитых веществ и т.д. начинается процесс образования спор (споруляция). Споры образуются внутри бактериальной клетки, проявляют высокую устойчивость к неблагоприятным внешним условиям. Споры долгое время могут находиться в состоянии анабиоза и сохранять свою жизнеспособность. Попадая в благоприятные условия, спора прорастает. При этом происходит поглощение воды, набухание споры, быстрое возрастание дыхания и ферментативной активности, выделяются аминокислоты, дипиколиновая кислота и пептиды. Процесс длится 4-7 часов. После прорастания спора перестает быть устойчивой к внешним воздействиям. Процесс споруляции (образования спор) происходит в несколько стадий: А – образование споровой перегородки – септы; Б – отделение протопласта споры; В – «поглощение» протопласта материнской клетки септированного участка цитоплазмы; Г – формирование кортекса; формирование оболочка споры; Е – зрелая спора: 1 – цитоплазма; 2 – ЦПМ; 3 – клеточная стенка зародыша; 4 – кора споры (котрекс); 5 – внутренняя оболочка споры; 6 – наружная оболочка споры; 7 – экзоспориум. 1-3 – зародыш. 1. подготовительная - в определенной части клетки, которая называется спорогенной зоной, происходит уплотнение цитоплазмы (за счет увеличения количество белка и потери значительного количества свободной воды) и увеличивает количество липидных включений; в течение первых 5 часов спорообразования белки метеринской клетки распадаются с образованием диплеконовой кислоты. 2. стадия предспоры – спорогенная зона отделяется от основной цитоплазмы перегородкой – септой. Последняя формируется выпячиванием ЦПМ внутрь клетки. Мембрана нарастает от переферии к центру, где срастается, что приводит к образованию споровой перегородки; 3. стадия - «обрастание» отсеченного участка клеточной цитоплазмы с ядерным материалом. Конечным результатом, которого является образование проспоры – структуры, расположенной внутри материнской клетки и полностью отделенной от нее двумя элементарными мембранами: наружной и внутренней по отношению к споре; 8 Первые 3 этапа формирования споры обратимы, дальнейшие этапы спорообразования уже не обратимы. 4. стадия формирования споры между наружным и внутренним мембранными слоями проспоры начинается формирование кортикального слоя (кортекса). Затем поверх наружной мембраны проспоры синтезируются споровые покровы, состоящие из нескольких слоев. 5. стадия разрушение (лизис) «материнской» клеточной стенки и спора выходит в среду. Внутри зародыша споры концентрируется часть генетического материала (материнской клетки) в виде молекул ДНК, дипиколиновая кислота и ионы Са2+, Mg2+, Mn2+, K+. Споровые покровы состоят в основном из белков и в небольшом количестве из липидов и гликолипидов. Виды расположения спор В зависимости от ее расположения клетка имеет различные формы (рис). Она может не меняться (а, б), приобретать форму барабанной палочки, если спора располагается терминально (в, д) или веретена, если спора располагается в центре (г, е). а б в г д е Рис. Виды расположения эндоспор: а, г – центральные споры; б, в, д – терминальные споры; е – латеральная спора 9