Классификация и морфология бактерий

Классификация бактерий. Решением Международного кодекса для бактерий ре­комендованы следующие таксономические категории: класс, отдел, порядок, семейство, род, вид. Название вида соответствует бинар­ной номенклатуре, т. е. состоит из двух слов. Например, возбудитель сифилиса пишется как Treponema pallidum. Первое слово — на-

звание рода и пишется с прописной буквы, второе слово обозначает вид и пишется со строчной буквы. При повторном упоминании вида родовое название сокращается до на­чальной буквы, например: Т. pallidum.

Бактерии относятся к прокариотам, т.е. доядерным организмам, поскольку у них имеется примитивное ядро без оболочки, ядрышка, гистонов. а в цитоплазме отсутс­твуют высокоорганизованные органеллы (митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы и др.)

В старом Руководстве Берджи по систематичес­кой бактериологии бактерии делили по особен­ностям клеточной стенки бактерий на 4 отдела: Gracilicutes — эубактерии с тонкой клеточной стенкой, грамотрицательные; Firmicutes — эубак­терии с толстой клеточной стенкой, грамположи-тельные; Tenericutes — эубактерии без клеточной стенки; Mendosicutes — архебактерии с дефектной клеточной стенкой.

Каждый отдел был разделен на секции, или группы, по окраске по Граму, форме клеток, потребности в кислороде, подвижности, особенностям метаболизма и питания.

Согласно 2-му изданию (2001 г.) Руководства Берджи, бактерии делят на 2 домена: «Bacteria» и «Archaea» (табл. 2.1).

Таблица. Характеристика доменов Bacteria и Archaea

*Среди тонкостенных грамотрицательных эубактерий различают:

• сферические формы, или кокки (гонококки, менингококки, вейлонеллы);

• извитые формы — спирохеты и спириллы;

• палочковидные формы, включая риккетсии.

** К толстостенным грамположительным эубактериям относят:

• сферические формы, или кокки (стафилококки, стрептококки, пневмококки);

• палочковидные формы, а также актиномицеты (ветвящиеся, нитевидные бактерии), коринебактерии (булавовидные бак­терии), микобактерии и бифидобактерии (рис. 2.1).

Большинство грамотрицательных бакте­рий объединены в тип протеобактериий. ос­нованный на сходстве по рибосомной РНК «Proteobacteria» — по имени греческого бога Протеуса. принимавшего разнообразные об­лики). Они появились от общего фотосинте-тического предка.

Грамположительные бактерии, согласно изученным последовательностям рибосом­ной РНК, являются отдельной филогенети­ческой группой с двумя большими подот­делами — с высоким и низким соотноше­нием G+C (генетическое сходство). Как и протеобактерии, эта группа метаболически разнообразная.

В домен «Bacteria» входят 22 типа, из кото­рых медицинское значение имеют следующие:

Тип Proteobacteria

КлассAlphaproteobacteria. Роды:Rickettsia, Orientia, Ehrlichia, Bartonella, Brucella

КлассBetaproteobacteria. Роды:Burkholderia, Alcaligenes, Bordetella, Neisseria, Kingella, Spirillum

КлассGammaproteobacteria. Роды:Francisella, Legionella, Coxiella, Pseudomonas, Moraxella, Acinetobacter, Vibrio, Enterobacter, Callimatobacterium, Citrobacter, Edwardsiella, Erwinia, Escherichia, Hafnia, Klebsiella, Morganella, Proteus, Providencia, Salmonella, Serratia, Shigella, Yersinia, Pasteurella

КлассDeltaproteobacteria. Род: Bilophila

КлассEpsilonproteobacteria. Роды:Campylobacter, Helicobacter, Wolinella

Тип Firmicutes (главным образом грамполо­жительные)

КлассClostridia. Роды:Clostridium, Sarcina, Peptostreptococcus, Eubacterium, Peptococcus, Veillonella (грамотрицательные)

КлассMollicutes. Роды: Mycoplasma, Ureaplasma

КлассBacilli. Роды:Bacillus, Sporosarcina, Listeria, Staphylococcus, Gemella, Lactobacillus, Pediococcus, Aerococcus, Leuconostoc, Streptococcus, Lactococcus

Тип Actinobacteria

КлассActinobacteria. Роды:Actinomyces, Arcanodacterium, Mobiluncus, Micrococcus, Rothia, Stomatococcus, Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia, Propionibacterium, Bifidobacterium, Gardnerella

Тип Clamydiae

КлассClamydiae. Роды:Clamydia, Clamydophila

Тип Spirochaetes

КлассSpirochaetes. Роды:Spirochaeta, Borrelia, Treponema, Leptospira

Тип Bacteroidetes

КлассBacteroidetes. Роды:Bacteroides, Porphyromonas, Prevotella

КлассFlavobacteria. Роды:Flavobacterium

Подразделение бактерий по особенностям строения клеточной стенки связано с воз­можной вариабельностью их окраски в тот или иной цвет по методу Грама. Согласно этому методу, предложенному в 1884 г. дат­ским ученым X. Грамом, в зависимости от результатов окраски бактерии делятся на грамположительные, окрашиваемые в сине-фиолетовый цвет, и грамотрицательные, кра­сящиеся в красный цвет. Однако оказалось, что бактерии с так называемым грамположи-тельным типом клеточной стенки (более тол­стой, чем у грамотрицательных бактерий), например, бактерии рода Mobiluncus и не­которые спорообразующие бактерии, вместо обычной грамположительной окраски име­ют грамотрицательную окраску. Поэтому для таксономии бактерий бульшую значимость, чем окраска по Граму, имеют особенности строения и химического состава клеточных стенок.

2.2.1. Формы бактерий

Различают несколько основных форм бак­терий (см. рис. 2.1) — кокковидные, палочко­видные, извитые и ветвящиеся, нитевидные формы бактерий.

Сферические формы, или кокки,— шаро­видные бактерии размером 0,5-1,0 мкм*, ко­торые по взаимному расположению делятся на микрококки, диплококки, стрептококки, тетракокки, сарцины истафилококки.

• Микрококки(от греч. micros — малый) — отдельно расположенные клетки.

• Диплококки(от греч. diploos — двойной), или парные кокки, располагаются парами (пневмококк, гонококк, менингококк), так как клетки после деления не расходятся. Пневмококк(возбудитель пневмонии) име­ет с противоположных сторон ланцетовид­ную форму, а гонококк (возбудитель гонореи) и менингококк (возбудитель эпидемического менингита) имеют форму кофейных зерен, обращенных вогнутой поверхностью друг к другу.

• Стрептококки(от греч. streptos — цепоч­ка) — клетки округлой или вытянутой 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 кокков, так как они образуются при делении клетки в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

• Стафилококки(от греч. staphyle — виног­радная гроздь) — кокки,расположенные в виде грозди винограда в результате деления в разных плоскостях.

Палочковидные бактерииразличаются по размерам, форме концов клетки и взаим­ному расположению клеток. Длина клеток варьирует от 1,0 до 10 мкм, толщина — от 0,5 до 2,0 мкм. Палочки могут быть правильной (кишечная палочка и др.) и неправильной (коринебактерии идр.) формы, в том числе ветвящиеся, например, у актиномицетов. К наиболее мелким палочковидным бактериям относятся риккетсии.

Концы палочек могут быть как бы обре­занными (сибиреязвенная бацилла), закруг­ленными (кишечная палочка), заостренны­ми (фузобактерии) или в виде утолщения. В последнем случае палочка похожа на булаву (коринебактерии дифтерии).

Слегка изогнутые палочки называются виб­рионами (холерный вибрион). Большинство па­лочковидных бактерий располагается беспоря­дочно, так как после деления клетки расходятся. Если после деления клетки остаются связанны-

ми общими фрагментами клеточной стенки и не расходятся, то они располагаются под углом друг к другу (коринебактерии дифтерии) или образуют цепочку (сибиреязвенная бацилла).

Извитые формы— спиралевидные бактерии, например спириллы,имеющие вид штопоро-образно извитых клеток. К патогенным спи­риллам относится возбудитель содоку (болезнь укуса крыс). К извитым также относятся кам-пилобактерии и хеликобактерии, имеющие из­гибыкак у крыла летящей чайки; близки к ним и такие бактерии, как спирохеты. Спирохеты— тонкие, длинные, извитые

спиралевидной формы) бактерии, отличаю­щиеся от спирилл подвижностью, обуслов­ленной сгибательными изменениями клеток. Спирохеты состоят из наружной мембраны

клеточной стенки), окружающей протоплаз­матический цилиндр с цитоплазматической мембраной и аксиальной нитью (аксистиль). Ахсиальная нить находится под наружной мембраной клеточной стенки (в периплазме) и как бы закручивается вокруг протоплазма-тического цилиндра спирохеты, придавая ей винтообразную форму (первичные завитки спирохет). Аксиальная нить состоит из перип-лазматических фибрилл — аналогов жгутиков бактерий и представляет собой сократитель­ный белок флагеллин. Фибриллы прикрепле­ны к концам клетки (рис. 2.2) и направлены навстречу друг другу. Другой конец фибрилл свободен. Число и расположение фибрилл варьируют у разных видов. Фибриллы учас­твуют в передвижении спирохет, придавая клеткам вращательное, сгибательное и пос­тупательное движение. При этом спирохеты образуют петли, завитки, изгибы, которые названы вторичными завитками. Спирохеты

плохо воспринимают красители. Обычно их окрашивают по Романовскому—Гимзе или серебрением. В живом виде спирохеты ис­следуют с помощью фазово-контрастной или темнопольной микроскопии.

Спирохеты представлены 3 родами, пато­генными для человека: Treponema, Borrelia, Leptospira.

Трепонемы(род Treponema) имеют вид тон­ких штопорообразно закрученных нитей с 8—12 равномерными мелкими завитками. Вокруг протопласта трепонем расположе­ны 3—4 фибриллы (жгутики). В цитоплазме имеются цитоплазматические филаменты. Патогенными представителями являются Т. pallidum — возбудитель сифилиса, Т. pertenue — возбудитель тропической болезни — фрам-безии. Имеются и сапрофиты — обитатели полости рта человека, ила водоемов.

Боррелии(род Borrelia), в отличие от трепо­нем, более длинные, имеют по 3—8 крупных завитков и 7—20 фибрилл. К ним относятся воз­будитель возвратного тифа (В. recurrentis) и воз­будители болезни Лайма (В. burgdorferi и др.).

Лептоспиры(род Leptospira) имеют завитки неглубокие и частые — в виде закрученной веревки. Концы этих спирохет изогнуты на­подобие крючков с утолщениями на концах. Образуя вторичные завитки, они приобрета­ют вид букв S или С; имеют 2 осевые нити (жгутики). Патогенный представитель L. in­terrogans вызывает лептоспироз при попада­нии в организм с водой или пищей, приводя к развитию кровоизлияний и желтухи.

Риккетсии— мелкие, грамотрицательные палочковидные бактерии (0,3—2,0 мкм), об-лигатные (обязательные) внутриклеточные паразиты. Размножаются бинарным деле-

нием в цитоплазме, а некоторые — в яд­ре инфицированных клеток. Обитают в чле­нистоногих (вшах, блохах, клещах) которые являются их хозяевами или переносчиками. Свое название риккетсии получили по име­ни X. Т. Риккетса — американского ученого, впервые описавшего одного из возбудителей (пятнистая лихорадка Скалистых гор). Форма и размер риккетсии могут меняться (клетки неправильной формы, нитевидные) в зависи­мости от условий роста. Структура риккетсии не отличается от таковой грамотрицательных бактерий.

Риккетсии обладают независимым от клет­ки хозяина метаболизмом, однако, возможно, они получают от клетки хозяина макроэр-гические соединения для своего размноже­ния. В мазках и тканях их окрашивают по Романовскому—Гимзе, по Маккиавелло— Здродовскому (риккетсии красного цвета, а инфицированные клетки — синего).

У человека риккетсии вызывают эпиде­мический сыпной тиф (Rickettsia prowazekii), клещевой риккетсиоз (R. sibirica), пятнистую лихорадку Скалистых гор (R. rickettsii) и дру­гие риккетсиозы.

Хламидии— относятся к облигатным внут­риклеточным кокковидным грамотрицатель-ным (иногда грамвариабельным) бактериям. Хламидии размножаются только в живых клетках: их рассматривают как энергетичес­ких паразитов; они не синтезируют адено-зинтрифосфат (АТФ) и гуанозинтрифосфат (ГТФ). Вне клеток хламидии имеют сфери­ческую форму (0,3 мкм), метаболически неак­тивны и называются элементарными тельца­ми. В клеточной стенке элементарных телец имеется главный белок наружной мембраны и цистеиннасыщенный белок. Геном хламидии содержит в 4 раза меньше генетической ин­формации, чем геном кишечной палочки.

Элементарные тельца попадают в эпите­лиальную клетку путем эндоцитоза с форми­рованием внутриклеточной вакуоли. Внутри клеток они увеличиваются и превращаются в делящиеся ретикулярные тельца, образуя скопления в вакуолях (включения). Из ре­тикулярных телец образуются элементарные тельца, которые выходят из клеток путем эк-зоцитоза или лизиса клетки. Вышедшие из

клетки элементарные тельца вступают в но­вый цикл, инфицируя другие клетки (рис. 16.11.1). У человека хламидии вызывают по­ражения глаз (трахома, конъюнктивит), уро-генитального тракта, легких и др.

Актиномицеты— ветвящиеся, нитевидные или палочковидные грамположительные бак­терии. Свое название (от греч. actis — луч, mykes — гриб) они получили в связи с обра­зованием в пораженных тканях друз — гранул из плотно переплетенных нитей в виде лучей, отходящих от центра и заканчивающихся кол-бовидными утолщениями. Актиномицеты, как и грибы, образуют мицелий — нитевид­ные переплетающиеся клетки (гифы). Они формируют субстратный мицелий, обра­зующийся в результате врастания клеток в питательную среду, и воздушный, растущий на поверхности среды. Актиномицеты могут делиться путем фрагментации мицелия на клетки, похожие на палочковидные и кокко-видные бактерии. На воздушных гифах акти-номицетов образуются споры, служащие для размножения. Споры актиномицетов обычно не термостойки.

Общую филогенетическую ветвь с актино-мицетами образуют так называемые нокарди-оподобные (нокардиоформные) актиномице­ты— собирательная группа палочковидных, неправильной формы бактерий. Их отдельные представители образуют ветвящиеся формы. К ним относят бактерии родов Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardianjxp. Нокардиоподобные актиномицеты отличаются наличием в кле­точной стенке Сахаров арабинозы, галактозы, а также миколовых кислот и больших коли­честв жирных кислот. Миколовые кислоты и липиды клеточных стенок обуславливают кис-лотоустойчивость бактерий, в частности ми-кобактерий туберкулеза и лепры (при окраске по Цилю—Нельсену они имеют красный цвет, а некислотоустойчивые бактерии и элементы ткани, мокроты — синий цвет).

Патогенные актиномицеты вызывают акти-номикоз, нокардии — нокардиоз, микобакте-рии — туберкулез и лепру, коринебактерии — дифтерию. Сапрофитные формы актиноми­цетов и нокардиеподобных актиномицетов широко распространены в почве, многие из них являются продуцентами антибиотиков.

Клеточная стенка— прочная, упругая структу­ра, придающая бактерии определенную форму и вместе с подлежащей цитоплазматической мем­браной «сдерживающая» высокое осмотическое давление в бактериальной клетке. Она участвует в процессе деления клетки и транспорте мета­болитов, имеет рецепторы для бактериофагов, бактериоцинов и различных веществ. Наиболее толстая клеточная стенка у грамположительных бактерий (рис. 2.4 и 2.5). Так, если толщина клеточной стенки грамотрицательных бактерий около 15—20 нм, то у грамположительных она может достигать 50 нм и более.

Микоплазмы— мелкие бактерии (0,15—1,0 мкм), окруженные только цитоплазматической мембра­ной. Они относятся к классу Mollicutes, содержат стеролы. Из-за отсутствия клеточной стенки мико­плазмы осмотически чувствительны. Имеют раз­нообразную форму: кокковидную, нитевидную, колбовидную. Эти формы видны при фазово-кон-трастной микроскопии чистых культур микоплазм. На плотной питательной среде микоплазмы обра­зуют колонии, напоминающие яичницу-глазунью: центральная непрозрачная часть, погруженная в среду, и просвечивающая периферия в виде круга.

Микоплазмы вызывают у человека атипич­ную пневмонию (Mycoplasma pneumoniae) и поражения мочеполового тракта (М. homi-nis и др.). Микоплазмы вызывают заболева­ния не только у животных, но и у растений. Достаточно широко распространены и непа­тогенные представители.

2.2.2. Структура бактериальной клетки

Структура бактерий хорошо изучена с помо­щью электронной микроскопии целых клеток и их улыратонких срезов, а также других мето­дов. Бактериальную клетку окружает оболочка, состоящая из клеточной стенки и цитоплазма­тической мембраны. Под оболочкой находит­ся протоплазма, состоящая из цитоплазмы с включениями и ядра, называемого нуклеоидом. Имеются дополнительные структуры: капсула, микрокапсула, слизь, жгутики, пили (рис. 2.3). Некоторые бактерии в неблагоприятных усло­виях способны образовывать споры.

В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов, белков. Основным компонентом клеточной стенки этих бактерий является многослойный пептидогликан (му-реин, мукопептид), составляющий 40—90% массы клеточной стенки. С пептидогликаном клеточной стенки грамположительных бакте­рий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. teichos — стенка), молекулы которых представляют собой цепи из 8—50 остатков глицерола и рибитола, соединенных фосфат­ными мостиками. Форму и прочность бакте­риям придает жесткая волокнистая структура многослойного, с поперечными пептидными сшивками, пептидогликана.

Пептидогликан представлен параллельно расположенными молекулами гликана. со­стоящего из повторяющихся остатков N-аце-тилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кис­лоты, соединенных гликозидной связью. Эти связи разрывает лизоцим, являющийся аце-тилмурамидазой. Гликановые молекулы со­единены через N-ацетилмурамовую кислоту поперечной пептидной связью из четырех аминокислот (тетрапептида). Отсюда и назва­ние этого полимера — пептидогликан.

Основу пептидной связи пептидогликана гра­мотрицательных бактерий составляют тетрапеп-тиды, состоящие из чередующихся L- и D-ами-нокислот, например: L-аланин — D-глутаминовая кислота — мезо-диаминопимелиновая кислота — D-аланин. У Е. coli (грамотрицательная бактерия) пептидные цепи соединены друг с другом через D-аланин одной цепи и мезо-диаминопимели-

новую кислоту — другой. Состав и строение пеп­тидной части пептидогликана грамотрицательных бактерий стабильны в отличие от пептидоглика­на грамположительных бактерий, аминокислоты которого могут отличаться по составу и после­довательности. Тетрапептиды пептидогликана у грамположительных бактерий соединены друг с другом полипептидными цепочками из 5 остатков

глицина (пентаглицина). Вместо мезо-диамино-пимелиновой кислоты они часто содержат лизин. Элементы гликана (ацетилглюкозамин и аце-тилмурамовая кислота) и аминокислоты тетра-пептида (мезо-диаминопимелиновая и D-глу-таминовая кислоты, D-аланин) являются отли­чительной особенностью бактерий, поскольку отсутствуют у животных и человека.

Способность грамположительных бактерий при окраске по Граму удерживать генциановый фиолетовый в комплексе с йодом (сине-фиоле­товая окраска бактерий) связана со свойством многослойного пептидогликана взаимодейство­вать с красителем. Кроме этого, последующая обработка мазка бактерий спиртом вызывает суживание пор в пептидогликане и тем самым задерживает краситель в клеточной стенке. Грамотрицательные бактерии после воздействия спиртом утрачивают краситель, что обусловлено меньшим количеством пептидогликана (5—10 % массы клеточной стенки); они обесцвечиваются спиртом и при обработке фуксином или сафра­нином приобретают красный цвет.

В состав клеточной стенки грамотрица-тельных бактерий входит наружная мемб­рана, связанная посредством липопротеина с подлежащим слоем пептидогликана (рис. 2.4 и 2.6). Наружная мембрана при элект­ронной микроскопии ультратонких срезов бактерий имеет вид волнообразной трех­слойной структуры, сходной с внутренней мембраной, которую называют цитоплаз-матической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двой­ной) слой липидов.

Наружная мембрана является мозаичной структурой, представленной липополисахари-дами, фосфолипидами и белками. Внутренний слой ее представлен фосфолипидами, а в на­ружном слое расположен липополисахарид (ЛПС). Таким образом, наружная мембрана асимметрична. ЛПС наружной мембраны со­стоит из трех фрагментов:

• липида А — консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицатель-ных бактерий;

• ядра, или стержневой, коровой части (лат. core — ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры;

• высоковариабельной О-специфической цепи полисахарида, образованной повторя­ющимися идентичными олигосахаридными последовательностями.

ЛПС «заякорен» в наружной мембране ли-пидом А, обуславливающим токсичность Л ПС и отождествляемым поэтому с эндотоксином. Разрушение бактерий антибиотиками при­водит к освобождению большого количества эндотоксина, что может вызвать у больного эндотоксический шок. От липида А отходит ядро, или стержневая часть ЛПС. Наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кето-дезоксиоктоновая кислота (З-деокси-О-ман-но-2-октулосоновая кислота). О-специфи­ческая цепь, отходящая от стержневой части молекулы ЛПС, обусловливает серогруппу, серовар (разновидность бактерий, выявляе­мая с помощью иммунной сыворотки) опре­деленного штамма бактерий. Таким образом, с понятием ЛПС связаны представления об О-антигене, по которому можно дифферен­цировать бактерии. Генетические изменения могут привести к дефектам, «укорочению» ЛПС бактерий и к появлению в результате этого «шероховатых» колоний R-форм.

Белки матрикса наружной мембраны про­низывают ее таким образом, что молекулы белка, называемые поринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы с от­носительной массой до 700 Да.

Между наружной и цитоплазматической мембраной находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты (протеазы, липазы, фосфатазы,

нуклеазы, бета-лактамазы), а также компо­ненты транспортных систем.

При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пеницил­лина, защитных факторов организма и других соединений образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой: протопласты — бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты — бактерии с частич­но сохранившейся клеточной стенкой. После удаления ингибитора клеточной стенки такие измененные бактерии могут реверсировать, т. е. приобретать полноценную клеточную стенку и восстанавливать исходную форму.

Бактерии сферо- или протопластного ти­па, утратившие способность к синтезу пеп-тидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные размно­жаться, называются L-формами (от названия Института им. Д. Листера, где они впервые были изучены). L-формы могут возникать и в результате мутаций. Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. Некоторые L-формы (нестабиль­ные) при удалении фактора, приведшего к изменениям бактерий, могут реверсировать, «возвращаясь» в исходную бактериальную клетку. L-формы могут образовывать многие возбудители инфекционных болезней.

Цитоплазматическая мембранапри электрон­ной микроскопии ультратонких срезов пред­ставляет собой трехслойную мембрану (2 тем­ных слоя толщиной по 2,5 нм каждый разделе­ны светлым — промежуточным). По структуре (см. рис. 2.5 и 2.6) она похожа на плазмалемму клеток животных и состоит из двойного слоя липидов, главным образом фосфолипидов, с внедренными поверхностными, а также интег­ральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. Некоторые из них являются пермеазами, участвующими в транспорте веществ.

Цитоплазматическая мембрана являет­ся динамической структурой с подвижными компонентами, поэтому ее представляют как мобильную текучую структуру. Она окружа­ет наружную часть цитоплазмы бактерий и участвует в регуляции осмотического давле-

ния, транспорте веществ и энергетическом метаболизме клетки (за счет ферментов цепи переноса электронов, аденозинтрифосфатазы и др.).

При избыточном росте (по сравнению с рос­том клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты — впячива-ния в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами. Роль мезосом и внутрицитоплазматических мембран до конца не выяснена. Предполагают даже, что они являются артефактом, возника­ющим после приготовления (фиксации) пре­парата для электронной микроскопии. Тем не менее считают, что производные цитоплаз-матической мембраны участвуют в делении клетки, обеспечивая энергией синтез клеточ­ной стенки, принимают участие в секреции веществ, спорообразовании, т. е. в процессах с высокой затратой энергии.

Цитоплазма занимает основной объем бак­териальной клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включе­ний и многочисленных мелких гранул — ри­босом, ответственных за синтез (трансля­цию) белков.

Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от SOS-рибосом, характерных для эукариотических клеток. Поэтому некото­рые антибиотики, связываясь с рибосомами бактерий, подавляют синтез бактериального белка, не влияя на синтез белка эукарио­тических клеток. Рибосомы бактерий могут диссоциировать на две субъединицы — 50S и 30S. Рибосомные РНК (рРНК) — консер­вативные элементы бактерий («молекуляр­ные часы» эволюции). 16S рРНК входит в состав малой субъединицы рибосом, a 23S рРНК — в состав большой субъединицы ри­босом. Изучение 16S рРНК является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов.

В цитоплазме имеются различные включе­ния в виде гранул гликогена, полисахаридов, бета-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Они накапливаются при избытке питательных веществ в окружающей среде и

зыполняют роль запасных веществ для пита­ния и энергетических потребностей.

Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Толуидиновым синим или метиленовым голу­бым волютин окрашивается в красно-фиоле­товый цвет, а цитоплазма бактерии — в синий. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде ин­тенсивно прокрашивающихся полюсов клетки. Метахроматическое окрашивание волютина связано с высоким содержанием полимеризо-ванного неорганического полифосфата. При электронной микроскопии они имеют вид элек­тронно-плотных гранул размером 0,1—1,0 мкм.

Нуклеоид — эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. Ядро бактерий, в отличие от эукариот, не име­ет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, пред-ставленная замкнутой в кольцо молекулой ДHK При нарушении деления в ней может сходиться 4 и более хромосом. Нуклеоид выявляется в световом микроскопе после ок-раски специфическими для ДНК методами: по Фельгену или по Романовскому—Гимзе. На электронограммах ультратонких срезов бактерий нуклеоид имеет вид светлых зон с фибриллярными, нитевидными структурами ДHK, связанной определенными участками с

цитоплазматической мембраной или мезосо-

мой, участвующими в репликации хромосо­мы (см. рис. 2.5 и 2.6).

Кроме нуклеоида, представленного одной

хромосомой, в бактериальной клетке имеются

вне хромосомные факторы наследственности —

плазмиды (см. разд. 5.1.2.), представляющие

собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.

Капсула, микрокапсула, слизь. Капсула—

слизистая структура толщиной более 0,2 мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бак-терий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках-отпе-чатках из патологического материала. В чис-тых культурах бактерий капсула образуется

реже. Она выявляется при специальных ме­тодах окраски мазка по Бурри—Гинсу, созда­ющих негативное контрастирование веществ капсулы: тушь создает темный фон вокруг капсулы.

Капсула состоит из полисахаридов (эк-зополисахаридов), иногда из полипепти­дов; например, у сибиреязвенной бациллы она состоит из полимеров D-глутаминовой кислоты. Капсула гидрофильна, включает большое количество воды. Она препятству­ет фагоцитозу бактерий. Капсула антиген-на: антитела против капсулы вызывают ее увеличение (реакция набухания капсулы).

Многие бактерии образуют микрокапсулу — слизистое образование толщиной менее 0,2 мкм, выявляемое лишь при электронной микроско­пии. От капсулы следует отличать слизь — муко-идные экзополисахариды, не имеющие четких внешних границ. Слизь растворима в воде.

Мукоидные экзополисахариды характерны для мукоидных штаммов синегнойной палоч­ки, часто встречающихся в мокроте больных с кистозным фиброзом. Бактериальные эк­зополисахариды участвуют в адгезии (прили­пании к субстратам); их еще называют глико-

каликсом. Кроме синтеза экзополисахаридов бактериями, существует и другой механизм их образования: путем действия внеклеточных ферментов бактерий на дисахариды. В резуль­тате этого образуются декстраны и леваны.

Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания, так как, явля­ясь гидрофильными, хорошо связывают воду, препятствуют действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов.

Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоп-лазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка (рис. 2.7). Толщина жгутиков 12—20 нм, длина 3—15 мкм. Они со­стоят из 3 частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (1 пара дисков — у грамположительных и 2 пары — у грамотри-цательных бактерий). Дисками жгутики при­креплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем — ротором, вра­щающим жгутик. В качестве источника энер­гии используется разность протонных по­тенциалов на цитоплазматической мембране. Механизм вращения обеспечивает протонная АТФ-синтетаза. Скорость вращения жгути­ка может достигать 100 об/с. При наличии у бактерии нескольких жгутиков они начинают синхронно вращаться, сплетаясь в единый пу­чок, образующий своеобразный пропеллер.

Жгутики состоят из белка — флагеллина (от. flagellum — жгутик), являющегося антигеном — так называемый Н-антиген. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.

Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного виб­риона до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии (перитрих), у кишечной палочки, протея и др. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки. Амфитрихи имеют по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки.

Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии препаратов, напыленных тяжелы­ми металлами, или в световом микроскопе после обработки специальными методами, основанны­ми на протравливании и адсорбции различных

веществ, приводящих к увеличению толщины жгутиков (например, после серебрения).

Ворсинки, или пили(фимбрии) — нитевид­ные образования (рис. 2.7), 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. Различают пили, ответственные за адгезию, т. е. за прикрепление бактерий к поражаемой клетке, а также пили, ответствен­ные за питание, водно-солевой обмен, и поло­вые (F-пили), или конъюгационные, пили.

Обычно пили многочисленны — несколько сотен на клетку. Однако половых пил ей обыч­но бывает 1—3 на клетку: они образуются так называемыми «мужскими» клетками-донора­ми, содержащими трансмиссивные плазмиды (F-, R-, Соl-плазмиды). Отличительной осо­бенностью половых пилей является их взаи­модействие с особыми «мужскими» сферичес­кими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях (рис. 2.7).

Споры — своеобразная форма покоящихся бактерий с грамположительным типом строе­ния клеточной стенки (рис. 2.8).

Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высуши­вание, дефицит питательных веществ и др.). Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора). Образование спор способствует сохранению вида и не являет- i ся способом размножения, как у грибов.

Спорообразуюшие бактерии рода Bacillus, у которых размер споры не превыша­ет диаметр клетки, называются бациллами. Спорообразующие бактерии, у которых раз­мер споры превышает диаметр клетки, отчего они принимают форму веретена, называют­ся клостридиями, например бактерии рода Clostridium (лат. Clostridium — веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля—Нельсена з красный, а вегетативная клетка — в синий.

Спорообразование, форма и расположение спор в клетке (вегетативной) являются ви­довым свойством бактерий, что позволяет отличать их друг от друга. Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке — терминальное, т. е. на конце палоч­ки (у возбудителя столбняка), субтерминаль­ное — ближе к концу палочки (у возбудителей ботулизма, газовой гангрены) и центральное у сибиреязвенной бациллы).

Процесс спорообразованя (споруляция) прохо­дит ряд стадий, в течение которых часть цитоп­лазмы и хромосома бактериальной вегетатив­ной клетки отделяются, окружаясь врастающей цитоплазматической мембраной, — образуется проспора. Проспору окружают две цитоплазма-тические мембраны, между которыми формиру­ется толстый измененный пептидогликановый слой кортекса (коры). Изнутри он соприкаса­ется с клеточной стенкой споры, а снаружи — с внутренней оболочкой споры. Наружная обо­лочка споры образована вегетативной клеткой. Споры некоторых бактерий имеют дополни­тельный покров — экзоспориум. Таким образом формируется многослойная плохо проницаемая оболочка. Спорообразование сопровождается интенсивным потреблением проспорой, а затем и формирующейся оболочкой споры дипиколи-новой кислоты и ионов кальция. Спора приоб­ретает термоустойчивость, которую связывают с наличием в ней дипиколината кальция.

Спора долго может сохраняться из-за нали­чия многослойную оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизма. В почве, например, возбудители сибирской язвы и столбняка мо­гут сохраняться десятки лет.

В благоприятных условиях споры прораста­ют, проходя три последовательные стадии: ак-

тивацию, инициацию, вырастание. При этом из одной споры образуется одна бактерия. Активация— это готовность к прорастанию. При температуре 60—80 °С спора активируется для прорастания. Инициация прорастания длит­ся несколько минут. Стадия вырастания характе­ризуется быстрым ростом, сопровождающимся разрушением оболочки и выходом проростка.