Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Курс лекций по общей микробиологии и основам вирусологии. В 2 ч. Часть 1

Голосов: 3

Включены основные сведения о прокариотных микроорганизмах и неклеточных формах живых организмов, их строении, физиологии, особенностях генетической системы, способах передачи генетической информации, экологии, роли микроорганизмов в круговороте веществ и значении микробиологических процессов в биотехнологии. Предназначен для студентов специальностей "Почвоведение" (020701), "Биология" (020201), "Экология" (020801), "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" (280201).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    клетке; включают три компонента: спиральную жгутиковую нить постоян-
ной толщины, крючок и базальное тельце. Крючок, к которому присоеди-
нена жгутиковая нить, имеет длину 30 - 45 нм и состоит из отличающегося от
флагеллина белка. Он соединен с базальным тельцем, которое располагается
целиком в оболочке (в клеточной стенке и цитоплазматической мембране).
      Базальное тельце состоит из цен-
трального стержня, заключенного в систему
особых колец. У грамотрица-тельных
бактерий их две пары: внешняя (кольца L и
P) и внутренняя (S и M). Кольца L и P (рис.
3) расположены внутри клеточной стенки
(кольцо L -в липополисахариде (ЛПС), а
кольцо P -в слое пептидогликана). Они
исполняют      роль      втулки     стержня.
Внутренняя пара (S и M) фиксирована на
цитоплазматической мембране, причем Рис. 3. Строение жгутика грамот-
кольцо       S       располагается        в рицательных бактерий: 1 - нить; 2 -
периплазматическом пространстве, а M - крючок; 3 - базальное тельце; 4 -
на цитоплазматической мембране или в стержень; 5 - L-кольцо; 6 - P-
                                            кольцо; 7 - S-кольцо; 8 - M-кольцо; 9
ней.
                                            - цитоплазматическая мембрана; 10
      Жгутики у грамположительных периплазматическое пространство;
бактерий, имеющих более толстую и 11 пептидоглика-новый слой; 12 -
гомогенную клеточную стенку, содержат наружная мембрана (по                   De
только одну пару колец - S и M. Эти         Pamphilis, Adler, 1971 г.) [8]
кольца обеспечивают вращательное
движение жгутиков. Благодаря этому вращению происходит направленное
движение бактерий. Жгутиковый аппарат обладает особым бинарным пе-
реключателем, который позволяет менять направление движения жгутиков
против часовой стрелки на движение по часовой стрелке. Со жгутиковым
аппаратом связана также и хемотаксическая активность бактерий. Генети-
ческий контроль синтеза жгутиковых белков, их сборки и активности осу-
ществляется особым опероном. Установлено, что мутации в области mot-
генов (от англ. motility - подвижность) приводят к потере только подвиж-
ности, однако все структуры жгутиков сохраняются; мутации в che-генах
(от греч. chemotaxis - хемоподвижность) - к потере хемотаксической ак-
тивности при сохранении структуры жгутиков и их подвижности.
                                                                              31


      Бактериальные жгутики движутся за счет протонной силы (хемиос-
мотического потенциала) бактериальной мембраны, а не гидролиза ATФ.
Прокариоты обладают разными типами движения (поведения), то есть спо-
собностью двигаться в ответ на воздействия окружающей среды. Напри-
мер, в процессе хемотаксиса бактерия может ощущать качество и количе-
ство некоторых химических веществ в окружающей среде и двигаться к
ним (если это полезные питательные вещества) или удаляться от них (если
это вредные вещества).
      Фимбрии или реснички (от лат. fimbria - бахрома) - нитевидные об-
разования, более тонкие и короткие (3 - 20 нм х 0,3 - 10 мкм), чем жгутики
(цв. Аклейка, рис. II). Фимбрии отходят от поверхности клетки и состоят
из белка, называемого пилином. Биологическое значение фимбрий состоит
в том, что с их помощью бактерии прикрепляются только к определенным
поверхностям.
      Среди фимбрий разного типа выделяют фимбрии, ответственные за
адгезию, то есть прикрепление бактерии к поражаемой клетке (например
пили общего типа - common pili); фимбрии, ответственные за питание,
водно-солевой обмен; половые (F-пили), или конъюгационные, пили. Пили
общего типа многочисленны и достигают количества нескольких сотен в
одной клетке. Они являются основными факторами патогенности у болез-
нетворных бактерий, потому что бактерии ими прикрепляются к чувстви-
тельным клеткам и заселяют их, то есть факторами адгезии и колонизации.
Кроме того, они препятствуют фагоцитозу.
      Термин «пили» применяется чаще в отношении особых фимбрий -
половых пилей, образуемых так называемыми мужскими клетками-
донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F, R, Col); их количе-
ство 1 - 2 на клетку.
      Пили (донорные ворсинки) - длинные (0,5 - 10 мкм) нитевидные
структуры белковой природы. Они присущи бактериям, имеющим конъю-
гативные плазмиды (F- и R-плазмиды). Они, как и жгутики, имеют внут-
реннюю полость и построены из особого белка, отличающегося от флагел-
лина и пилина. Их синтез находится под контролем плазмидных генов.
Они служат аппаратом конъюгации: с их помощью устанавливается непо-
средственный контакт между донорной и реципиентной клетками. Донор-
ные пили обнаруживают с помощью донорспецифических фагов, которые
на них адсорбируются и далее вызывают лизис клетки-хозяина. Донорные
пили встречаются в количестве 1 - 2 на клетку. 32


      КАПСУЛЫ, СЛИЗИСТЫЕ СЛОИ И ЧЕХЛЫ

      Некоторые бактерии (пневмококки, клебсиеллы и др.) образуют кап-
сулу - слизистое образование, прочно связанное с клеточной стенкой,
имеющее четко очерченные внешние границы. Капсула различима в маз-
ках-отпечатках из патологического материала, еѐ толщина 0,2 мкм. В чис-
тых культурах бактерий капсула образуется реже. В ее образовании участ-
вует цитоплазматическая мембрана. По химическому составу различают
капсулы, состоящие из полисахаридов, содержащих аминосахара, и капсу-
лы полипептидной природы, например у сибиреязвенной бациллы.
      Выявление капсул осуществляется методом негативного контрасти-
рования. Капсула гидрофильна, она препятствует фагоцитозу бактерий.
      Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование,
выявляемое при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать
слизь — мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких внешних гра-
ниц. Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к
субстратам), их еще называют гликокаликсом.
      Кроме того, что бактериальные экзополисахариды синтезируются
бактериями путем секреции их компонентов, существует и другой меха-
низм их образования - при действии внеклеточных ферментов на дисаха-
риды. В результате этого образуются декстраны и леваны.
      Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыха-
ния, так как они гидрофильны и хорошо связывают воду, препятствуют
действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов и могут
являться запасом питательных веществ.
      Чехлы - это более сложные структуры. Обычно они имеют и более
сложный химический состав, например, у Sphaerotilus natans чехол содер-
жит: сахаров - 36, гексозамина -11, белка - 27, липида - 5,2, фосфора - 0,5 %.
      Капсулы, слизистые слои и гликокаликс, как известно, определяют
специфические свойства поверхности бактериальных клеток, и некоторые
компоненты этих структур являются специфическими антигенами.
      Капсулы также защищают бактерии от хищных простейших и от
действия антибактериальных агентов животного (фагоциты, антитела) или
растительного (микроцины) происхождения. Капсулы некоторых почвен-
ных бактерий защищают их от постоянной угрозы высушивания.
                                                                           33


     КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА
       Это важный и обязательный структурный элемент большинства про-
кариотных клеток, который располагается под капсулой или слизистым
чехлом или непосредственно контактирует с окружающей средой. На долю
клеточной стенки приходится от 5 до 50 % сухого вещества клетки. Это
прочная, упругая структура, служащая механическим барьером между
протопластом и внешней средой, придающая клеткам определенную, при-
сущую им форму и поддерживающая высокое осмотическое давление в
клетке.
       Концентрация солей в клетке, как правило, намного выше, чем в ок-
ружающей среде, и поэтому между ними существует большое различие в
осмотическом давлении. Клеточная стенка механически защищает клетку
от проникновения в нее избытка воды, то есть сдерживает высокое осмо-
тическое давление в клетке. Она участвует в процессе деления клетки и
транспорте метаболитов.
       Клеточная стенка прокариот резко отличается от таковой у эукариот
как по строению, так и по химическому составу. Она содержит специфиче-
ские полимерные комплексы, которые остутствуют в других структурах
клетки. Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для
определенного вида и являются важным признаком при идентификации.
       В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты, относя-
щиеся к бактериям, делятся на две большие группы. В 1884 г. датский уче-
ный Х. Грам предложил метод окраски (впоследствии этот метод стали на-
зывать «окраска по Граму»), в результате которого бактерии делятся на
грамположительные (сине-фиолетовый) и грамотрицательные (красный
цвет).
       Если фиксированные бактерии окрасить сначала кристаллическим
фиолетовым, а затем йодом, то образуется окрашенный комплекс (генциа-
новый фиолетовый в комплексе с йодом). В зависимости от строения кле-
точной стенки при последующей обработке спиртом этот комплекс либо
удерживается, либо вымывается. Если бактерии остаются с сине-
фиолетовой окраской, то это свидетельствует о том, что обработка окра-
шенного по Граму мазка бактерий спиртом вызывает сужение пор в пепти-
догликане и тем самым задерживает краску в клеточной стенке. То есть
бактерии окрашиваются грамположительно.


34


      Наоборот, грамотрицательные бактерии после воздействия спиртом
утрачивают краситель, обесцвечиваются и при обработке фуксином окра-
шиваются в красный цвет вследствие меньшего содержания пептидоглика-
на (1 - 10 % массы клеточной стенки). В состав клеточной стенки бактерий
входят семь различных групп химических веществ (табл. 3).
                                                               Таблица 3
        Химический состав клеточных стенок грамположительных и
    грамотрицательных бактерий (Rose, 1971 г.; Freer, Salton, 1971 г.)

  Компоненты клеточной         Грамположи-        Грамотрицательные эубактерии
  стенки                          тельные          Внутренний       Внешний слой
                                эубактерии         слой (пепти-     (наружная кле-
                                                  догликановый)    точная мембрана)
Пептидогликан                        +                   +                 -
Тейхоевые кислоты                    +                   -                 -
Полисахариды                         +                   -                 +
Белки                                ±                   -                 +
Липиды                               ±                   -                 +
Липополисахариды                     -                   -                 +
Липопротеины                         -                   ±                 +
     Примечание. (+) - присутствуют; (-) - отсутствуют; (±) - не у всех.


       Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бакте-
рий резко различаются по химическому составу и по ультраструктуре.
       У грамположительных бактерий клеточная стенка толще (от 20 до
80 нм), чем у грамотрицательных, и пептидогликан (синонимы муреин,
мукопептид) составляет основную массу ее вещества (от 40 до 90 %). Под
электронным микроскопом она выглядит как гомогенный электронно-
плотный слой.
       Пептидогликан представлен параллельно расположенными молеку-
лами гликана, состоящего из остатков N-ацетилглюкозамина и N-
ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидной связью (цв. вклейка,
рис. III).
       Гликановые молекулы связаны поперечной пептидной связью. От-
сюда название этого полимера - пептидогликан. Основу пептидной связи
составляют тетрапептиды, состоящие из чередующихся L- и D-
аминокислот, например L-аланин - D-глутаминовая кислота - мезодиами-

                                                                                  35


нопимелиновая кислота - D-аланин. В пептидогликане грамположитель-
ных бактерий вместо мезодиаминопимелиновой кислоты часто содержится
L-диаминопимелиновая кислота или лизин. Элементы гликана (ацетилглю-
козамин и ацетилмурамовая кислота) и аминокислоты тетрапептида (мезо-
диаминопимелиновая и D-глутаминовая кислоты, D-аланин) являются от-
личительной особенностью бактерии, поскольку отсутствуют у животных
и человека.
      Пептидогликан ковалентно связан с тейхоевыми кислотами (от греч.
teichos - стенка). Это уникальный класс химических соединений, пред-
ставляющих собой полимеры, построенные на основе рибита (пятиатомно-
го спирта), остатки которого соединены между собой фосфодиэфирными
связями. Поскольку это длинные линейные молекулы, они пронизывают
весь слой пептидогликана, достигая поверхности клеточной стенки, и яв-
ляются основными антигенами грамположительных бактерий. Остающие-
ся свободные гидроксилы фосфорной кислоты придают тейхоевой кислоте
свойства полианиона, таким образом, они определяют поверхностный за-
ряд клетки. Сахарные компоненты тейхоевых кислот входят в состав ре-
цепторов для некоторых бактериофагов и определяют возможность ад-
сорбции фага на клеточной поверхности.
      В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится не-
большое количество полисахаридов, липидов и белков.
      Входящие в состав клеточной стенки полисахариды, липиды могут
ковалентно связываться с ее макромолекулами в отличие от белков, кото-
рые формируют на ее внешней поверхности отдельный слой.
      Таким образом, основными компонентами клеточной стенки грампо-
ложительных бактерий являются три типа макромолекул: пептидогликаны,
тейхоевые кислоты и полисахариды, которые, ковалентно связываясь, об-
разуют сложную структуру с весьма упорядоченной пространственной ор-
ганизацией.
      Строение клеточной стенки у грамотрицательных бактерий на-
много сложнее. У них обнаружена многослойная клеточная стенка. В ее
состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического
типа (рис. 4). Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной
стенки, неплотно прилегая к цитоплазматической мембране. Для разных
видов грамотрицательных бактерий его содержание колеблется в широких
пределах и существенно меньше ( 5 - 1 0 %), чем у грамположительных

36


бактерий. Химическая структура пептидогликана грамотрицательных бак-
терий в основном сходна со структурой пептидогликана грамположитель-
ных бактерий. Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный
слой клеточной стенки - наружная мембрана. Она состоит из фосфолипи-
дов, типичных для элементарных мембран, белков, липопротеина и липо-
сахарида.

                                             О-Спшифическая цепь ЛПС


                                                    ЯдроЛПС

                                                        Л




                                                         Наружная мембрана




                                                              Литтопротеин




                                                         Пегггидогликак

                                                        иттид

                                                    А

                                                        Рис. 4. Схема строения
                                                        клеточной стенки и
                                                        Цитотигазматическая
                                                            мембрана
                                                        цитоплазматической
                                                        мембраны
      грамотрицательных бактерий:
      Л- липид; П- протеин; ЛПС - липополисахарид

     Специфическим компонентом наружной мембраны является липопо-
лисахарид сложного молекулярного строения, занимающий около 30 -
40 % поверхности и локализованный во внешнем слое. Он состоит из трех
компонентов: липидаА, базисной части, или ядра, и О-специфической це-
пи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигоса-
                                                                   37


харидными последовательностями. Липополисахарид закреплен в наруж-
ной мембране липидом А, придающим токсичность липополисахариду,
отождествляемому поэтому с эндотоксином. От липидаА отходит базисная
часть липополисахарида. Наиболее постоянной частью ядра липополиса-
харида является кетодезоксиоктоновая кислота. О-специфическая цепь, от-
ходящая от ядра липополисахарида, определяет серогруппу, серовар (раз-
новидность бактерий, выявляемая с помощью иммунной сыворотки) выде-
ленного штамма бактерий. Таким образом, с понятием липополисахарида
связаны представления об О-антигене, по которому можно дифференциро-
вать бактерии.
      Помимо типичной клеточной стенки грамотрицательных бактерий, у
некоторых представителей этой группы обнаружены дополнительные слои
разной электронной плотности, располагающиеся с внешней стороны от
наружной мембраны. Но до настоящего времени не ясно, относятся ли они
к клеточной стенке, являясь результатом ее последующего усложнения,
или же представляют собой структурные элементы многослойного чехла.
      Атипичные клеточные стенки прокариот. У некоторых скользя-
щих бактерий (миксобактерии, флексибактерии), способных в процессе
перемещения по твердому субстрату периодически менять форму клеток,
например путем изгибания, была обнаружена нетипичная для грамотрица-
тельных бактерий эластичная клеточная стенка. Объяснением такой гибко-
сти клеточной стенки этих бактерий может быть особенность строения
пептидогликанового компонента (низкая сшитость этого компонента кле-
точной стенки).
      У метанобразующих архей клеточные стенки содержат пептидогли-
кан особого химического строения. У других представителей этой группы
клеточная стенка состоит исключительно из кислого гетерополисахарида;
у некоторых экстремально галофильных, метанобразующих и ацидотер-
мофильных архей - только из белка. Археи с клеточной стенкой белковой
природы не окрашиваются по Граму, остальные типы архей дают грампо-
ложительную реакцию.
      Прокариоты, не имеющие клеточной стенки. Впервые бактерии,
не имеющие клеточной стенки, были обнаружены при воздействии на них
лизоцимом - ферментом из группы гликозидаз, содержащимся в яичном
белке, слюнной жидкости и выделяемом некоторыми бактериями.


38


      Бактерии с частично (сферопласты) или полностью (протопласты)
утраченной клеточной стенкой можно получать при воздействии опреде-
ленными химическими веществами в лабораторных условиях. При нару-
шении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием фермента лизо-
цима или пенициллина, а также защитных факторов организма образуются
клетки с измененной, часто шаровидной, формой (протопласты).
      После удаления ингибитора синтеза клеточной стенки такие изме-
ненные бактерии могут реверсировать, то есть приобретать полноценную
клеточную стенку и восстанавливать исходную форму.
      Бактерии сферопластного или протопластного типа, утратившие спо-
собность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или дру-
гих факторов, но сохранившие способность к размножению, называются L-
формами. L-формы могут возникать и в результате мутаций. Они пред-
ставляют собой осмотически чувствительные шаровидные, колбовидные
клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериаль-
ные фильтры. L-формы могут образовывать многие бактерии - возбудите-
ли инфекционных болезней.
      Функции клеточной стенки прокариот многочисленны, разнооб-
разны и очень важны для клетки:
      - механическая защита клетки от воздействия окружающей среды;
      - поддержание ее внешней формы;
      - обеспечение возможности существования в гипотонических растворах;
      - транспорт веществ;
      - образование периплазматического пространства у грамотрицатель-
ных бактерий, заполненного раствором со специфическими транспортны
ми белками и гидролитическими ферментами. У грамположительных бак
терий эти ферменты выделяются в окружающую среду, чтобы не происхо
дило самопереваривание собственных молекул.

     ЗНАЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ КОМПОНЕНТОВ КЛЕТКИ
     Все поверхностные компоненты прокариотной клетки имеют боль-
шое значение, так как они осуществляют контакт клетки с окружающей
средой и позволяют реагировать на внешние воздействия так, чтобы под-
держивать собственное существование и выживание в окружающей среде.
     Их свойства определяются молекулярным составом цитоплазматиче-
ской мембраны и клеточной стенки, включая липополисахарид.
                                                                      39


       Наиболее важные функции, которые осуществляют прокариоты, ис-
пользуя свои поверхностные компоненты:
       1) образуют барьеры проходимости, которые позволяют осуществ
лять избирательный проход питательных веществ и исключение вредных
веществ;
       2) вырабатывают "адгезины", которым свойственно прикрепляться к
определенным поверхностям или тканям;
       3) выделяют ферменты, чтобы добиться определенных реакций на
поверхности клетки, важной для выживания прокариот;
       4) выделяют белки, которые могут быть ответом на температуру, ос
мотическое давление, соленость, свет, кислород, питательные вещества и
т.д., или являться сигналом для генома клетки, который даст правильный
ответ на новые воздействия окружающей среды.

     Область Б - плазматическая мембрана и цитоплазматическая
      область, которая содержит геном клетки (ДНК) и рибосомы

     МЕМБРАНЫ
      Химический состав мембран. Мембраны бактерий структурно по-
добны мембранам клетки эукариот, за исключением того, что бактериаль-
ные мембраны состоят из насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот
(редко полиненасыщенных жирных кислот) с 16 - 18 углеродными атомами и
обычно не содержат стерины.
      Содержимое клетки отделяется от клеточной стенки цитоплазмати-
ческой мембраной - обязательным структурным элементом любой клетки,
нарушение целостности которого приводит к потере клеткой жизнеспо-
собности. На долю цитоплазматической мембраны приходится 8 - 15 %
сухого вещества клетки. У большинства прокариот цитоплазматическая
мембрана является единственной мембраной. В клетках фототрофных и
ряда хемотрофных прокариот содержатся также мембранные структуры,
располагающиеся в цитоплазме и получившие название внутриплазмати-
ческих мембран. Их происхождение и функции будут рассмотрены ниже.
      Цитоплазматическая мембрана - белково-липидный комплекс, кото-
рый составляют 50 - 75 % белков, от 15 до 45 % липидов и небольшое ко-
личество углеводов. Липиды и белки составляют 95 % и более вещества
мембран. Главным липидным компонентом бактериальных мембран явля-
ются фосфолипиды - производные 3-фосфоглицерина. Хотя у прокариот
40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика