Временные структурные компоненты бактериальной клетки, их характеристика и назначение

Некоторые виды бактерий в большом количестве выделяют слизистые экзополимеры, которые образуют слизистый рыхлый чехол. Он не имеет чётких границ. Бактериальные экзополтсахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам), их ещё называют гликокаликсом. Слизистый чехол предохраняет бактерию от высыхания, так как вещество чехла является гидрофильным, хорошо связывает воду, препятствует действию защитных факторов микроорганизма и бактериофагов. Капсула — слизистая структура, расположенная на повер­хности клеточной стенки и тесно связанная с ней. Толщина капсулы более 0,2 мкм. Она четко отграничена от внешней среды. Ее можно выявить при световой микроскопии, при окраске специальными мето­дами (Ольту, Михину, Бурри-Гинсу и др.). Многие бактерии образуют микрокапсулу, выявляемую при электронной микроскопии или же хи­мическими и иммунологическими методами. Капсула состоит из гетерополисахаридов (у эшерихий), из белков (у стрептококков), полипеп­тидов (у возбудителя сибирской язвы).

Скопление бактерий, заключенных в одну капсулу, называется зооглеями (например, у сапрофитной бактерии лейконостока). У некото­рых бактерий капсула постоянно имеется у всех особей и во всех средах (например, у Klebsiella pneumoniae).У некоторых бактерий (пневмокок­ки, возбудители сибирской язвы, энтерококки, возбудители энтероток-семии) капсульное вещество образуется в организме, а на питательных средах его синтез прекращается.

Капсула является фактором вирулентности, антигенности, специ­фичности и иммуногенности, так как в ней локализуются капсульные антигены. Она защищает бактериальную клетку от механических пов­реждений, высыхания, заражения фагами, токсических веществ, фаго­цитоза, гуморальных факторов организма, а у некоторых видов спо­собствует прикреплению клеток к субстрату.

В ветеринарной микробиологии выявление капсулы используют в ка­честве морфологического признака при исследовании на сибирскую язву, диплококковую септицемию и другие инфекционные болезни, что имеет значение для лабораторной диагностики.

Жгутики являются органами движения. Они представляют собой тонкие полые нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, диаметром 12-30 нм, длиной от 6-9 до 80 мкм и более. Жгутики состо­ят из белка флагеллина (от лат. flagellum — жгутик), который обладает сократительной способностью. Жгутик состоит из трех частей: спи­ральной нити, крюка и базального тельца. Крюк— изогнутый белко­вый цилиндр, выполняющий функцию гибкого связывающего звена между базальным тельцем и жесткой нитью жгутика. Базальное тельце — сложная структура, состоящая из центрального стержня (оси) и колец. Количество жгутиков может быть от 1 до 50. Жгутики типичны для палочковидных и извитых форм бактерий и редко встре­чаются у шаровидных микробов. По характеру расположения жгутиков и их количеству бактерии подразделяют на монотрихи (с одним полярно расположенным жгутиком); амфитрихи (с двумя полярно расположенными жгутиками или имеющих по пучку жгутиков на обоих концах); лофотрихи (имеющие пучок жгутиков на одном конце клетки); перитрихи (имеющие множес­тво жгутиков по бокам клетки или же по всему периметру).

Бактерии, не имеющие жгутиков, называют атрихиями. Бактерии движутся беспорядочно. Вместе с тем они способны к на­правленным движениям — таксисам, т. е. движутся в оптимальную зону обитания. Таксис может быть положительным и отрицательным. Хемотаксис вызывается разницей в концентрации химических веществ, аэротаксис — кислорода, фототаксис — интенсивностью осве­щения, магнитотаксис определяется способностью микробов ори­ентироваться в магнитном поле. В клетках этих микробов имеются включения магнетита, выполняющие функцию магнитной стрелки. В Северном полушарии магнетобактерии движутся в направлении Северного полюса, в Южном — в направлении Южного. Вискозитак-сис — это реакция бактерий на изменение вязкости среды: они спо­собны двигаться в направлении ее увеличения или снижения. Счита­ется, что таксисы можно рассматривать как элементарную форму поведения бактерий.

Скорость движения бактерий в среднем составляет 20—60 мкм. Опре­деление подвижности микробов имеет значение при идентификации вида и, следовательно, постановке достоверного диагноза.

Подвижность бактерий определяют разными методами («висячая» и «раздавленная» капля, по Шукевичу, посевом в полужидкий агар).

Пили {ворсинки, фимбрии) — нитевидные образования толщиной 3-10 нм, длиной 0,3—10 мкм. Они отходят от поверхности клетки и со­стоят из белка пилина. У бактерий их может быть от 1-2 до нескольких десятков, сотен и даже тысяч. Пили были обнаружены у подвижных и неподвижных бактерий. Известно несколько типов фимбрий, кото­рые различаются выполняемыми функциями. Наиболее изучены фим­брии первого типа, или их называют фимбриями общего типа, которые ответственны за питание, водно-солевой обмен, адгезию. Эти фимбрии помогают бактериям прикрепляться к клеткам живых организмов (эритроцитам и другим клеткам). Пили общего типа способствуют об­разованию пленок на поверхности питательных сред и вызывают аг­глютинацию эритроцитов. Пили второго типа, так называемые поло­вые фимбрии, или F-пили, имеют внутри канал, через который гене­тический материал передается от клетки донора к реципиенту при конъюгации бактерий. Через пили в бактерии могут проникать вирусы (фаги).

На поверхности клеток некоторых видов бактерий обнаружены структуры под названием шипы. Это полые цилиндры длиной 1-3 мкм и шириной до 65 нм. Шипы состоят из белка спинина. Бактерии с ши­пами обычно неподвижны. Считается, что образование шипов спо­собствует лучшему выживанию бактерий в естественной среде обита­ния. У ряда метилобактерий выявлены трубчатые выросты, число ко­торых может достигать 300-350. Диаметр трубочек — около 40 нм, длина — до 0,3 мкм. Значение трубчатых выростов для жизнедеятель­ности бактерий остается невыясненным.

Споры — своеобразная форма покоящихся фирмикутных бактерий, т. е. бактерий с грамположительным типом строения клеточной стенки. Споры характеризуются резким снижением обмена веществ, образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высуши­вание, дефицит питательных веществ, изменение рН, повышение со­держания 02, накопление в среде катионов К и Мn и т. д.). В спорах отмечается репрессия генома, малое содержание воды, повышенная концентрация Са, появление дипиколиновой кислоты в виде Са-хела-та, который обеспечивает состояние покоя спор и их термоустойчи­вость. Внутри одной бактерии образуется одна спора. У отдельных ви­дов бактерий обнаружены клетки с двумя и более спорами. Например, выделена бактерия Anaerobacter polyendosporus, клетки которой содер­жат от двух до пяти эндоспор. При формировании спор увеличения числа микробов не происходит, поэтому спорообразование не счита­ется способом размножения бактерий. Образование спор способству­ет сохранению вида. В световом микроскопе споры имеют вид округ­лых образований, сильно преломляющих свет, размером 0,8—1,5 мкм. Споры находятся в состоянии анабиоза. В патматериале споры могут быть как внутри бактериальной клетки, так и вне ее. Внутри клетки они могут располагаться центрально (В. anthracis), субтерминально — ближе к концу (С. botulinum), терминально — на конце палочек (С. tetani) тойчивость. У многих бактерий по окружности наружного слоя споро­вой оболочки расположен экзоспорум. Бактерии, у которых спора не превышает диаметра клетки, называют бациллами, а у которых превы­шает — клостридиями. Споры сохраняют жизнеспособность в усло­виях, когда вегетативные клетки погибают. Споры кислото-щелоче-спиртоустойчивы. Они хорошо переносят высушивание, кипячение в течение нескольких часов, высокое давление, радиацию, действие агрессивных химических факторов, ферментов, антибиотиков. Споры бактерий могут длительное время существовать в покоящемся состоя­нии. Например, английский микробиолог П. Снис обнаружил жизне­способные споры, хранившиеся в комочках почвы в течение 320 лет. В слое осадков на дне озера в штате Миннесота найдены споры, возраст которых составляет 7500 лет. Немецкий микробиолог Г. Домбровский обнаружил жизнеспособные споры в образцах соли из месторождений в Германии и Северной Америки, имеющих возраст более 300 млн лет.

Существуют бактерии, у которых образуются другие, относительно устойчивые к неблагоприятным условиям внешней среды покоящиеся клетки. К ним относятся цисты и экзоспоры. Цисты характерны для азотобактера, спирохет, миксобактерий, риккетсий, метилотрофных бактерий и бактерий рода Bdellovibrio. Зрелые цисты представляют со­бой округлые светопреломляющие образования. Цитоплазма у них ок­ружена мембраной и двумя оболочками: интиной — толстой внутрен­ней и экзиной — многослойной внешней оболочкой.

Экзоспоры образуются у некоторых почкующихся фотосинтезиру-ющих бактерий и обладают значительно большей устойчивостью, чем вегетативные клетки, к высушиванию, ультрафиолетовому облучению, высокой температуре.

От спор нужно отличать параспоровые тельца, которые имеют размер 120-200 нм и расположены изолированно или на поверхности спор. В клетках В. thuringiemis параспоровые тельца формируются в виде круп­ных белковых кристаллов. Они токсичны и используются для приготов­ления препарата, применяемого в борьбе с вредными насекомыми.

Спорообразование (споруляция) — сложный биологический процесс образования спор. Он включает ряд последовательных стадий.

Подготовительная стадия характеризуется репликацией ДНК и ее конденсацией. Клетка содержит два или более нуклеоидов, один из которых локализуется в спорогенной зоне, остальные — в цитоплазме спорангия. Одновременно синтезируется дипиколиновая кислота.

Стадия предспоры — со стороны цитоплазматической мембраны клетки происходит врастание двойной мембраны, отделяющей нуклеоид с участком уплотненной цитоплазмы (спорогенная зона). В резуль­тате образуется проспора, окруженная двумя мембранами.

Образование оболочек — между мембранами проспоры формирует­ся зачаточный пептидогликановый слой, затем над ним — толстый слой кортекса, а вокруг него — споровая оболочка. Созревание споры — за­вершение образования всех структур споры. Она приобретает термоус­тойчивость, характерную форму и занимает определенное положение в клетке.