Бактерии. Морфология, ультраструктура и химический состав бактерий

ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.ОЛЕСЯ ГОНЧАРА

ФАКУЛЬТЕТ БИОЛОГИИ, ЭКОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ

КАФЕДРА КЛИНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

 
«Бактерии. Морфология, ультраструктура и химический состав бактерий»

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка ІІІ курса

Группы БЛ-12

Тютюнник Екатерина Владимировна

 

 

 

 

 

 

 

Днепропетровск, 2014

План:

1.Введение

2.Морфология: основные формы  бактерий

3.Ультраструктура и химический состав бактерий

4.Роль спор, условия их образования и способность бактерий к спорообразованию

5. Включения бактериальной клетки

6.Выводы

7.Список использованной  литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

      Бакте́рии (эубактерии (Eubacteria), др.-греч. βακτήριον — палочка) — домен (надцарство) прокариотных (безъядерных) микроорганизмов, чаще всего одноклеточных.

До конца 1970-х годов термин «бактерия» был синонимом прокариотов, но в 1977 году на основании данных молекулярной биологии прокариоты были разделены на домены архебактерий и эубактерий. Впоследствии, чтобы подчеркнуть различия между ними, они были переименованы в архей и бактерий соответственно. Впервые бактерии увидел в оптический микроскоп и описал в 1676 году голландский натуралист Антони ван Левенгук. Название «бактерии» ввёл в употребление в 1828 году Христиан Эренберг.

В 1850-х годах Луи Пастер положил начало изучению физиологии и метаболизма бактерий, а также открыл их болезнетворные свойства.

Дальнейшее развитие медицинская микробиология получила в трудах Роберта Коха, которым были сформулированы общие принципы определения возбудителя болезни (постулаты Коха). В 1905 году он был удостоен Нобелевской премии за исследования туберкулёза. Основы общей микробиологии и изучения роли бактерий в природе заложили М. В. Бейеринк и С. Н. Виноградский.

 

2. Морфология

      По форме клеток собственно бактерии подразделяются на шаровидные, палочковидные и извитые.

Ш а р о в и д н ы е б а к т е р и и — кокки (coccus — зерно) имеют правильную сферическую или эллипсовидную форму. Одни из них располагаются беспорядочно (микрококки), другие парами (диплококки), третьи — цепочками из трех и более кокков (стрептококки), четвертые — в виде пакетов, состоящих из четырех (тетракокки) или восьми (сарцины) кокков. Это связано с особенностями их деления. В том случае, если они делятся в разных плоскостях, то образуются скопления, напоминающие виноградную гроздь (стафилококки). Деление в двух взаимоперпендикулярных плоскостях приводит к образованию тетракокков, в трех — сарцин. При делении в одной плоскости дочерние клетки могут не отходить друг от друга, образуя диплококки и цепочки кокков — стрептококки.

Патогенные бактерии чаще всего представлены стафилококками, стрептококками, реже микрококками.

Па л о ч к о в и д н ы е б а к т е р и и, имеющие цилиндрическую форму, различаются по размерам, форме клеток и их концов, а также по расположению. Большинство из них имеют длину, превышающую поперечник. Другие представляют собой крупные палочки с утолщениями

на концах либо с обрубленными или заостренными концами. Они могут беспорядочно располагаться в виде одиночных клеток, парами — диплобактерии, в виде цепочек — стрептобактерии. Патогенные виды относятся ко всем перечисленным формам палочковидных бактерий.

И з в и т ы е ф о р м ы б а к т е р и й - представлены изогнутыми палочками, изгибы которых имеют один (холерный вибрион) или несколько оборотов (кампилобактерии) спирали. Размеры бактерий измеряются в микрометрах, а их органеллы — в нанометрах.

Форма бактерий и их размеры имеют определенное таксономическое значение и являются важным критерием при их идентификации, поскольку это относительно стабильные признаки в строго определенных условиях культивирования на искусственных питательных средах.

 

3. Ультраструктура и химический состав бактерий

 

      Ультраструктура бактериальной клетки отражает уникальность ее организации. С помощью электронно-микроскопического исследования ультратонких срезов бактерий, цитохимических и других методов исследования можно установить структуру определенных органелл, определить их химический состав и функциональную роль, которую они играют в процессе жизнедеятельности клетки.

Бактериальная клетка окружена внешней оболочкой, которая состоит из капсулы, капсулоподобной оболочки и клеточной стенки. От их состава зависит способность клетки воспринимать анилиновые красители (тинкториальные свойства).

К а п с у л ы в зависимости от степени выраженности подразделяют на микро- и макрокапсулы. Первые обнаруживаются только при электронно- микроскопическом исследовании в виде микрофибрилл из мукополисаха-

ридов, которые тесно прилегают к клеточной стенке. Макрокапсулы представляют собой выраженный слизистый слой, снаружи покрывающий

клеточную стенку. Он состоит из полисахаридов и редко из полипептидов (например, у сибиреязвенных бактерий). Как правило, макрокапсулу образуют немногие виды патогенных бактерий (пневмококи и др.) при неблагоприятных условиях среды, например в организме животных или человека.

К а п с у л о п о д о б н а я о б о л о ч к а — липидо-полисахаридное образование, сравнительно непрочно связанное с поверхностью клетки, вследствие чего в отличие от капсулы может выделяться в окружающую среду.

Оболочка может быть покрыта экзополисахаридами, которые образуются из углеводов окружающей среды под действием бактериальных ферментов. При этом глюканы и леваны обеспечивают прилипание бактерий к разным поверхностям, часто гладким. Так, некоторые стрептококки прилипают к эмали

зубов, сердечным клапанам.

Капсула несет многообразные функции: защитную, предохраняя клетку от неблагоприятных условий среды обитания, и адгезивную, способствуя «прилипанию» к поверхности (рецепторам) клетки хозяина.

К л е т о ч н а я с т е н к а (КС) представляет собой биогетерополимер сложного химического состава, который покрывает всю поверхность прокариотической клетки. Состав этого биогетерополимера не одинаков у разных бактерий.

В конце XIX в. датским ученым Грамом была предложена дифференциальная

окраска, благодаря которой бактерии были разделены на две группы, названные грамположительными и грамотрицательными. Первые сравнительно прочно удерживают анилиновые красители и не обесцвечиваются спиртом, вследствие чего они окрашиваются генциан- или кристалвиолетом в фиолетовый цвет. Грамотрицательные бактерии после обесцвечивания спиртом докрашиваются водным раствором фуксина в розовый цвет.

Основу клеточной стенки всех бактерий составляет пептидогликан, обеспечивающий ригидность и эластичность КС. Структура пептидогликана представлена параллельными полисахаридными (гликановыми) цепями, состоящими из чередующихся звеньев N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты.

У грамположительных бактерий пептидогликан связан с тейхоевыми и липотейхоевыми кислотами за счет чего он имеет многослойную структуру.  У грамотрицательных бактерий пептидогликан однослоен и покрыт наружной мембраной с мозаичным строением. В ее состав входит липопротеид, образующий глобулярный слой в результате ковалентной связи с пептидогликаном. Он покрыт пластинчатой мембраноподобной структурой, состоящей из фосфолипидов, липополисахарида (ЛПС) и белков. Наружная мембрана пронизана белками-поринами — своеобразными выводными каналами, которые обеспечивают диффузию химических веществ из внешней среды в микробную клетку.

У грамотрицательных бактерий между клеточной стенкой и цитоплазматической

мембраной расположено периплазматическое пространство, заполненное гидролитическими ферментами, рибонуклеазой -1, фосфатазой, Р-лактамазой и др. В периплазматическом пространстве происходит расщепление большинства питательных веществ, поступающих в бактериальную клетку.

Бактерии, полностью или частично утратившие клеточную стенку, но сохранившие способность к размножению, получили название L-форм в честь института им. Д. Листера (Англия), в котором они были впервые выделены.

Ж г у т и к и. На поверхности ряда бактериальных клеток располагаются жгутики. В их состав входит белок флагелин, который по своей структуре относится к сократимым белкам типа миозина. Количество и расположение жгутиков у разных бактерий неодинаково. Монотрихи имеют на одном из полюсов клетки

только один жгутик, лофотрихи— пучок жгутиков, у амфитрихов жгутики расположены на обоих полюсах клетки, а у перитрихов —по всей ее поверхности.

Активная подвижность бактерий обусловлена вращательными движениями жгутиков (монотрихи, лофотрихи). Наряду с беспорядочным движением

бактерии могут передвигаться направленно путем хемотаксиса, аэротаксиса, обусловленного разной концентрацией кислорода, и фототаксиса. Скорость движения бактерий связана с расположением жгутиков, составом и свойствами питательной среды. Жгутики обладают антигенными свойствами.

П и л и (синоним ворсинки, фимбрии) — тонкие полые нити белковой природы длиной 0,3-10 мкм, толщиной 10 нм, покрывающие поверхность бактериальных клеток. По своему функциональному назначению подразделяются на несколько типов.

Пили 1-общего типа- обусловливают прикрепление или адгезию бактерий к определенным клеткам организма хозяина. Их количество велико — от нескольких сотен до нескольких тысяч на одну бактериальную клетку. Адгезия является первоначальной стадией любого инфекционного процесса.

Пили 2 типа-(синоним: конъюгативные, или половые) участвуют в конъюгации бактерий, обеспечивающей перенос части генетического материала от донорной клетки к реципиентной. Они имеются только у бактерий-доноров в ограниченном

количестве (1-4 на клетку).

Ц и т о п л а з м а т и ч е с к а я  м е м б р а н а (ЦМ) является жизненно необходимым структурным компонентом бактериальной клетки. Она ограничивает протопласт, располагаясь непосредственно под клеточной стенкой. ЦМ в химическом отношении представляет собой липопротеин, состоящий из 15-30% липидов и 50-70% протеинов.

Кроме того, в ней содержится около 2-5% углеводов и незначительное

количество РНК. В состав мембранных липидов входят главным образом нейтральные липиды и фосфолипиды.

Липидный состав мембран непостоянен в качественном и количественном

отношении. У одного и того же вида бактерий он изменяется в зависимости от условий ее культивирования на питательной среде и возраста культуры.

Мембранные белки разделяются на структурные и функциональные.

К последним относятся ферменты, участвующие в биосинтезе разных компонентов КС, который происходит на поверхности ЦМ, а также окислительно-восстановительные ферменты, пермеазы и др.

ЦМ является сложно организованной структурой, состоящей из трех слоев, которые выявляются при электронно-микроскопическом исследовании. Двойной фосфолипидный слой пронизан глобулинами, которые обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку.

ЦМ выполняют жизненно важные функции, нарушение которых приводит бактериальную клетку к гибели. К ним относится прежде всего регуляция поступления в клетку метаболитов и ионов, участие в метаболизме, репликации ДНК, а у ряда бактерий в спорообразовании и т.д.

М е з о с о м ы являются производными ЦМ. Они имеют неодинаковое строение у разных бактерий, располагаясь в разных частях клетки либо в виде концентрических мембран, либо пузырьков, трубочек, либо в форме петли, характерной в основном для грамотрицательных бактерий. Мезосомы связаны с нуклеоидом. Они участвуют в делении клетки и спорообразовании.

Ц и т о п л а з м а у прокариот, так же как и у эукариот, представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из воды (около 75%), минеральных соединений, белков, РНК и ДНК, которые входят в состав органел нуклеоида, рибосом, мезосом, включений.

Носителем генетической информации бактериальных клеток является ДНК. Она представляет собой двойную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепочек. Бактериальная хромосома представлена одной двунитевой молекулой ДНК кольцевидной формы и называется нуклеотидом.

Н у к л е о и д  является эквивалентом ядра эукариот, хотя отличается от него по своей структуре и химическому составу. Он лишен ядерной мембраны, не содержит хромосом, не делится митозом. В составе нуклеоида отсутствуют основные белки — гистоны. Исключение составляют только некоторые бактерии.

В нем содержится двунитевая молекула ДНК, а также небольшое количество РНК и белков. Молекула ДНК с молекулярной массой (2-3) х 109 представляет собой замкнутую кольцевую структуру, в которой закодирована вся наследственная информация клетки, т.е. геном клетки. В состав нуклеотида входит одно из азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин или цитозин) дезоксирибоза и фосфорная кислота.

Р и б о с о м ы у бактерий представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы размером 20 нм, состоящие из двух субъединиц 30S и 50S. Перед началом синтеза белка происходит объединение этих субъединиц в одну — 70S. В отличие от клеток эукариотов рибосомы бактерий не объединены в эндоплазматическую сеть. Бактериальные рибосомы, являющиеся белоксинтезирующими системами клеток, могут стать «мишенью» для действия многих антибиотиков.

В к л ю ч е н и я 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).

 

4. Роль спор, условия  их образования и способность бактерий  к спорообразованию

 

      С п о р ы и с п о р о о б р а з о в а н и е. Споры бактерий можно рассматривать как форму сохранения наследственной информации бактериальйой клетки в неблагоприятных условиях внешней среды. Способностью к спорообразованию обладает сравнительно небольшое число как патогенных, так и непатогенных бактерий. К первым относятся бактерии родов Bacillus, Clostridium, ко вторым — сапрофитные представители упомянутых родов и некоторые кокки.

Процесс спорообразования начинается с формирования спорогенной зоны внутри бактериальной клетки, представляющей собой уплотненный участок цитоплазмы с расположенным в нем нуклеоидом. Затем происходит образование проспоры путем изолирования спорогенной зоны от остальной части цитоплазмы с помощью врастающей внутрь клетки ЦМ. Между внутренним и наружным

слоями последней образуется кортекс, состоящий из особого пептидогликана.

В дальнейшем внешняя сторона мембраны покрывается плотной оболочкой, в состав которой входят белки, липиды и другие соединения, не встречающиеся у вегетативных клеток. К ним относится дипиколиновая кислота, обусловливающая термоустойчивость споры, и др. Затем вегетативная часть клетки отмирает, и спора сохраняется во внешней среде в течение длительных сроков, измеряемых

многими месяцами и годами.

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.

Чрезвычайно высокая устойчивость спор к физическим и химическим факторам имеет существенное эпидемиологическое значение, поскольку способствует сохранению источника инфекции и загрязнению окружающей среды. Загрязнение спорами патогенных бактерий поврежденных участков кожи может привести к возникновению раневой инфекции и столбняка.

В благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку. Спора набухает, что связано с увеличением в ней количества воды,

активированием ферментов, участвующих в энергетическом и пластическом

метаболизме. Далее происходит разрушение оболочки споры и выход из нее ростовой трубки, после чего завершается синтез клеточной стенки и сформировавшаяся вегетативная клетка начинает делиться. Прорастание споры происходит в течение 4-5 ч, в то время как образование спор продолжается до 18-20 ч. Вместе с тем способность бактерий образовывать споры, различающиеся

по форме размерам и локализации в клетке, является таксономическим признаком, который используется для их дифференцировки и идентификации.

 

5. Включения бактериальной клетки

 

      Цитоплазматические включения бактериальной клетки подразделяются на включения, окруженные белковой мембраной и включения, лишенные белковой мембраны. Аэросомы (газовые вакуоли), имеющие белковую оболочку, обнаружены только в клетках прокариот. Аэросомы характерны для многих бактерий, обитающих в водоемах и илах. Аэросомы имеют сотоподобную структуру, представленную массой газовых пузырьков. Пузырьки ограничены однослойной белковой мембраной толщиной 2 нм и заполнены газом. Состав газа аэросом аналогичен составу газов в окружающей среде. Аэросомы, снижая удельную массу бактериальной клетки, поддерживают ее во взвешенном состоянии в водоеме. Бактерии, имеющие аэросомы , обычно являются обитателями планктона.

В клетках зеленых бактерий к внутрицитоплазматическим включениям относятся хлоросомы. Хлоросомы окружены однослойной белковой мембраной, в них локализованы бактериохлорофиллы, поглощающие световую энергию.

В клетках цианобактерий присутствуют фикобилисомы, содержащие водорастворимые пигменты белковой природы – фикобилипротеиды.

К внутриплазматическим включениям в клетках некоторых фототрофных и хемотрофных бактерий, а также всех цианобактерий относятся карбоксисомы, или полиэдрические тела. Кроме того, внутрицитоплазматическими включениями бактериальной клетки являются запасные вещества – полифосфаты, полисахариды, поли-ß-оксимасляная кислота и отложения серы. В условиях голодания запасные вещества являются источником энергии и питания бактерий. В клетках бактерий может накапливаться одно запасное вещество или несколько разных по химической природе веществ. Например, клетки Escherichia coli запасают гликоген.

В клетках некоторых видов рода Bacillus в спорангиях рядом со спорой обнаружены кристаллоподобные включения, получившие название параспоральных телец. Они имеют ромбовидную или кубовидную форму и состоят из белка, токсичного для личинок насекомых.

 

6. Выводы

 

      Бактерии населяют всю биосферу, едва ли можно найти такие ее участки, где была бы жизнь, но не было бы бактерий. Вместе с тем в условиях, которые определяются как экстремальные, нередко обитают только бактерии, например, при экстремальных значениях температуры, солености, рН. Огромному разнообразию условий, представляемых биосферой бактериям, соответствует разнообразие их свойств и адаптаций. Обладая огромной численностью популяций и выработанными эволюцией механизмами изменчивости и диффузии генетических детерминаций, большинство бактериальных видов находится в состоянии постоянного адаптационного движения в соответствии с постоянно изменяющимися условиями среды. Несмотря на относительную простоту организации бактериальной клетки и ее незначительный объем, она обладает весьма сложными и совершенными механизмами молекулярных адаптаций, существование которых еще относительно недавно нельзя было даже предположить.

Рассматривая экологию бактерий, необходимо иметь в виду, что они являются не только обитателями, но и создателями современной биосферы, а в настоящее время сами являются экологическим фактором практических для всех живых организмов, с которыми они взаимодействуют, как косвенно, через процессы круговорота элементов, так и непосредственно являясь симбионтами или паразитами.

 

 

 

7. Список использованной литературы

 

1. Мишустин Е.Н., Емцев Т.В. Микробиология. М.: «Москва – Агропромиздат», 1987. 368 с:200с.

2. Борисов Л.Б..Медицинская микробиология, вирусология, иммунология. М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2005. 736 с.:31с.

3. Гранов Б.В., Павленко П.В. Экология бактерий. Ленинград.:1989. 248 с.:143с.

4. Прозоркина Н.В., Рубашкина Л.А. Основы микробиологии, вирусологии и иммунологии.2012.378с.:246с. 
5. http://www.ronl.ru