Строение клеточной стенки бактерий

Тема 2. Строение клеточной стенки бактерий

Клеточная стенка - структурный компонент, присущий только бактериям (кроме микоплазм). Клеточная стенка выполняет следующие функции:

1. Определяет и сохраняет постоянную форму клетки.
2. Защищает внутреннюю часть клетки от действия механических и осмотических сил внешней среды.
3. Участвует в регуляции роста и деления клеток.
4. Обеспечивает коммуникацию с внешней средой через каналы и поры.
5. Несет на себе специфические рецепторы для бактериофагов.
6. Определяет во многом антигенную характеристику бактерий (природу и специфичность О- и К-антигенов).
7. Содержащийся в ее составе пептидогликан наделяет клетку важными иммунобиологическими свойствами (см. ниже).
8. Нарушение синтеза клеточной стенки бактерий является главной причиной их L-трансформации.

В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов, белков. Основным компонентом толстой клеточной стенки этих бактерий является многослойный пептидогликан (муреин, мукопептид), составляющий 40-90 % массы клеточной стенки. С пептидогликаном клеточной стенки грамположительных бактерий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. teichos - стенка).

В состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий входит наружная мембрана, связанная посредством липопротеина с подлежащим слоем пептидогликана. На ультратонких срезах бактерий наружная мембрана имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с внутренней мембраной, которую называют цитоплазматической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двойной) слой липидов.

Внутренний слой наружной мембраны представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен липополисахарид.

Липополисахарид наружной мембраны состоит из 3 фрагментов:

• липида А - консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицательных бактерий;
• ядра, или стержневой, коровой части (от лат. core - ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры (наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кетодезоксиоктоновая кислота);
• высоковариабельной О-специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями (0-антитен).

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

Клеточная стенка грамположительных  бактерий имеет однородную структуру, пластичный слой тонкий и ковалентно связан с ригидным слоем. Она значительно толще, чем у грамотрицательных - ее толщина 20-60 нм. Основную массу стенки составляет пептидогликан. Он представлен не 1-2 слоями, как у грамотрицательных бактерий, а 5-6, на его долю приходится до 90 % сухой массы клеточной стенки.

Клеточная стенка содержит много тейхоевых кислот (до 50 % сухого веса ее). Тейхоевые кислоты (греч. teichos - стенка) - растворимые в воде линейные полимеры, содержащие остатки глицерина или рибитола, связанные между собой фосфо-диэфирными связями. Тейхоевые кислоты - главные поверхностные антигены многих грамположительных бактерий. Они в значительном количестве располагаются между цитоплазматической мембраной и слоем пептидогликана и через поры в нем выступают наружу. Функция тейхоевых кислот полностью не выяснена.

Клеточная стенка большинства грамположительных  бактерий не содержит липидов, однако у микобактерий и коринебактерий в ней имеются токсические гликолипиды.

Особенность пептидогликанов грамположительных бактерий - частое отсутствие в них диаминопимелиновой кислоты. В клеточной стенке грамположительных бактерий отсутствуют липополисахариды; содержание белка в них сильно варьирует (Рис. 1). Белки во многом определяют антигенную специфичность таких бактерий. Например, стрептококки серогруппы А по белкам М и Т подразделяют на несколько десятков серотипов.

Рис. 1 Строение клеточной стенки грамположительной и грамотрицательной бактерии.

Клеточная стенка грамотрицательных  бактерий значительно тоньше, и у  большинства из них ее толщина  составляет 14-18 нм. Четко выделяются два слоя - пластичный и ригидный, они связаны лабильно и отделяются друг от друга при обработке додецилсульфатом натрия. Основная особенность клеточной стенки грамотрицательных бактерий: ригидный слой тонкий, представлен одним или, редко, двумя слоями пептидогликана, на долю которого приходится до 5-10 % сухого веса стенки. Для пептидогликана характерно низкое содержание поперечных сшивок между пептидными цепочками, однако в нем почти всегда имеется диамино- пимелиновая кислота.

В составе клеточной стенки содержится много липопротеинов, фосфолипидов, липополисахарид, больше белка и, как правило, отсутствуют тейхоевые кислоты. Пластичный слой клеточной стенки у грамотрицательных бактерий представляет собой сложную мозаику, образованную из липопротеинов, липополисахаридов и наружной мембраны.

Капсула, микрокапсула, слизь. Капсула  - слизистая структура толщиной более 0,2 мкм прочно связанная с клеточной стенкой бактерий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках отпечатках из патологического материала. В чистых культурах бактерий капсула образуется реже. Она выявляется при специальных методах окраски мазка, создающих негативное контрастирование веществ капсулы: тушь образует темный фон вокруг капсулы.

Капсула состоит из полисахаридов (зкзополисахаридов), иногда - из полипептидов; например, у сибиреязвенной бациллы она состоит из полимеров D-глутамииовой кислоты. Капсула гидрофильна, препятствует фагоцитозу бактерий. Капсула антигенна: 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 - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких границ. Слизь растворима в воде. Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам), их еще называют гликокаликсом. Кроме синтеза экзополисахаридов бактериями, существует и другой механизм их образования: путем действия внеклеточных ферментов бактерий на дисахариды. В результате этого образуются декстраны и леваны.

Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем  сама клетка. 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 дисков - у грамотрицательных бактерий).

Дисками жгутики прикреплены  к цитоплазматической мембране и  клеточной стенке. При этом создается  эффект электромотора со стержнем-мотором, вращающим жгутик. Жгутики состоят  из белка - флагеллина (от flogellum - жгутик), являющегося Н-антигеном. 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.

Пили (фимбрии, ворсинки) - нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10 нм х 0,3-10 мкм), чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина, обладающего 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.

Пили многочисленны - несколько сотен на клетку. Однако половых пи лей обычно бывает 1-3 на клетку: они образуются так называемыми «мужскими» клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F-, R-, Col- плазмиды). Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми «мужскими» сферическими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях.

В цитоплазме многих бактерий имеются  включения, представленные различного рода пузырьками (везикулами), образованными  в результате впячивания цитоплазматической мембраны. Для фототрофных, нитрифицирующих и метан-окисляющих бактерий характерна развитая сеть цитоплазматических мембран в виде неразделённых пузырьков, напоминающих граны хлоропластов эукариот. В клетках некоторых обитающих в воде бактерий имеются газовые вакуоли (аэросомы), выполняющие роль регуляторов плотности.

Включения являются продуктами метаболизма  про- и эукариотических микроорганизмов, которые располагаются в их цитоплазме и используются в качестве запасных питательных веществ.

К ним относятся включения гликогена, крахмала, серы, полифосфата (волютина) и др. У некоторых бактерий, например дифтерийной палочки, включения волютина имеют дифференциально-диагностическое значение. Они обладают способностью к метахромазии (окрашиваются в иной цвет, чем цвет красителя).

Методы выявления в бактериологии для обнаружения возбудителя в исследуемом материале используют бактериоскопический, бактериологический, биологический методы.

Лекарственное сырье и готовые  препараты могут обсеменяться микроорганизмами на различных этапах их технологического получения при хранении. Инфицирование  происходит через воду, нестерильную посуду, воздух производственных помещений, руки персонала и т.д.

При неправильной заготовке растения могут быть хорошей питательной  средой для размножения микробов. Одним из способов, препятствующих их росту на растениях, является высушивание. При изготовлении лекарственных  средств микробы могут попадать в препараты из окружающей среды, что может влиять на фармакологические  свойства лекарств.

Для соблюдения санитарного режима изготовления лекарственных препаратов проводят санитарно-микробиологический контроль объектов окружающей среды  предприятия и каждой серии выпускаемой  лекарственной формы.

Спорообразование как свойство бактерий (бацилл) с точки зрения переработки и хранения пищевых продуктов является крайне нежелательным, так как затрудняет и усложняет борьбу с этими микроорганизмами. Чтобы уничтожить споры, например, в консервах, их приходится стерилизовать, т. е. подвергать нагреванию до температуры 120°С, а такой нагрев отрицательно сказывается на качестве консервированных продуктов.

Стерилизация молока существенно  изменяет его первоначальные свойства, приводит к потере витаминов. А если молоко не нагревать до такой высокой  температуры, то его невозможно будет  долго сохранить. Так, пастеризованное  молоко, которое нагревается только до температуры 80-90°С с целью сохранения питательных веществ, портится при комнатной температуре очень быстро, потому что в процессе пастеризации уничтожаются лишь вегетативные формы микробов, а споры не погибают. В нагретом до комнатной температуры молоке они прорастают и быстро размножаются, вызывая порчу этого продукта. Свойством образовывать споры обладают многие бациллы, вызывающие опасные заразные болезни, а также отравления. К их числу относятся, например, бациллы сибирской язвы и бациллы ботулизма.

В процессе спорообразования (споруляции) бактериальная клетка подвергается сложной перестройке (Рис. 2). Вначале на одном из ее полюсов происходит конденсация нуклеоида и отделение его за счет образования септы. Затем цитоплазматическая мембрана начинает обрастать образовавшийся протопласт споры и возникает складка, состоящая из двух слоев цитоплазматической мембраны, позднее они сливаются, в результате образовавшаяся предспора оказывается окруженной двойной оболочкой.

На следующей стадии между двумя  мембранами, покрывающими предспору, формируется толстый слой кортекса (коры). Самый внутренний слой его представляет собой зародышевую стенку (из него образуется клеточная стенка прорастающей вегетативной клетки). По мере созревания споры обе ее мембраны участвуют в образовании специальных слоев споры.

Таким образом между обращенными друг к другу мембранами образуются зародышевая стенка, кортекс, а также расположенные снаружи от мембран наружная и внутренняя оболочки и экзоспорий. Сформировавшаяся эндоспора состоит из протопласта с нуклеоидом, стенки споры, кортекса, оболочки и экзоспория.

Рис. 2. Схема образования споры (по Г. Шлегелю):

А, Б - образование септы; В, Г - окружение протопласта споры мембраной материнской клетки; Д- формирование кортекса и оболочек споры; Е - схема строения зрелой споры: 1 - экзоспориум; 2 - наружная оболочка споры; 3 - внутренняя оболочка споры; 4 - кортекс; 5 - клеточная стенка споры; 6 - цитоплазматическая мембрана споры; 7 - цитоплазма с нуклеоидом.

Особенности физико-химических свойств спор. Способность ряда патогенных бактерий образовывать длительно сохраняющиеся во внешней среде споры, обладающие высокой термоустойчивостью, обусловлена низким содержанием воды, повышенной концентрацией кальция, структурой и химическим составом ее оболочки.