Особенности строения бактериальной (прокариотной) клетки.

Структуру и морфологию бактерий изучают с помощью различных методов микроскопии: световой, фазово-контрастной, интерференционной, темнопольной, люминесцентной и электронной.

Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы с включениями и ядерного аппарата, называемого нуклеоидом. Имеются другие структуры: мезосома, хроматофоры, тилакоиды, вакуоли, включения полисахаридов, жировые капельки, капсула (микрокапсула, слизь), жгутики, пили.

Клеточная стенка (оболочка) служит механическим барьером для предохранения содержимого клетки от вредного воздействия окружающей среды, придает клетке определенную форму и сохраняет ее. В составе клеточной стенки прокариот преобладает пептидогликан или муреин (специфическое полимерное соединение), отсутствующий в клеточных стенках эукариотов.

Структура бактериальной клетки:1 - гранулы поли-β-оксимасляной кислоты; 2 - жировые капельки; 3 - включения серы; 4 - трубчатые тилакоиды; 5 - пластинчатые тилакоиды; 6 - пузырьки; 7 - хроматофоры; 8 - нуклеоид; 9 - рибосомы; 10 - цитоплазма; 11 - клеточная стенка; 12 - цитоплазматическая мембрана; 13 - мезосома; 14 - вакуоли; 15 - ламелярные структуры; 16 - гранулы полисахарида; 17 - гранулы полифосфата

Рисунок 4 – Строение прокариотной клетки

Цитоплазма состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений и многочисленных мелких гранул - рибосом, ответственных за синтез (трансляцию) белков.

Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм.

В цитоплазме имеются различные включения в виде гранул гликогена, полисахаридов, бета-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Они являются запасными веществами для питания и энергетических потребностей бактерий.

Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки.

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, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК.

Кроме нуклеоида, представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности – плазмиды, представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.

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 flagellum – жгутик); является Н-антигеном. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.

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, то есть 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 пилей 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.

Одним из важнейших показателей при определении рода и вида бактерий служит окраска по Граму. Этот метод окраски введен впервые в 1884 году датским физиком Христианом Грамом и используется как важнейший таксономический признак и имеет большое диагностическое значение.

В зависимости от способности клеток окрашиваться и не обесцвечиваться спиртом и ацетоном (или наоборот), все бактерии делятся на Грам+ (положительные) и Грам- (отрицательные).

Особенностью окраски по методу Грама является неодинаковое отношение различных микробов к красителям трифенилметановой группы: генцианвиолету, метилвиолету и кристалвиолету.

Установлено, что свойство бактерий окрашиваться или не окрашиваться по Граму, обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных стенок. У Грам-положительных клеточные стенки более толстые, многослойные.

Входящие в группу грамположительных микробов стафилококки, стрептококки дают прочное соединение с указанными красителями и йодом. Окрашенные микробы не обесцвечиваются при воздействии на них спиртом, поэтому при дополнительной окраске фуксином грамположительные микробы не изменяют первоначально принятый фиолетовый цвет.

Грамотрицательные микроорганизмы: гонококки, менингококки, возбудители кишечных заболеваний и другие, образуют с красителем и йодом легко разрушающееся под действием спирта соединение, в результате чего они обесцвечиваются и затем окрашиваются фуксином в красный или ярко-малиновый цвет.

Метод Грама довольно сложен для работы ввиду его многоэтапности и нефиксированным сроком обесцвечивания, в результате чего теряется точность, поэтому в настоящее время широкое распространение получили методы окраски в модификации А.И.Синёва и П.Г.Калиной.

Движение бактерий

Среди бактерий встречаются подвиж­ные и неподвижные формы. Движение бактерий происходит обычно при помощи так называемых жгутиков. Некоторые из­витые бактерии, не имеющие жгутиков, передвигаются путем изгибания тела.

Расположение жгутиков на теле бактерии может быть раз­личным: один жгутик на конце тела (бактерии-монотрихи), пучок жгутиков на конце тела (бактерии-лофотрихи), жгутики расположены по всей поверхности тела (бактерии-перитрихи).

Жгутики представляют собою нитевидные образования, очень небольшой толщины (в несколько десятков раз тоньше самой бактерии). Длина жгутиков у разных бактерий колеб­лется в широких интервалах, у многих она не превышает раз­меров их тела, у некоторых же во много раз больше длины са­мой бактерии. Способность двигаться у бактерий проявляется по-разному.

Характер движения определяется характером жгутования. Бактерии с полярно расположенными жгутиками движутся по прямой, только иногда делая отклонения в сторону в виде лег­ких колебательных движений. Движение бактерий, имеющих жгутики по всему телу, носит беспорядочный характер, проис­ходит в виде оживленного кувыркания.

Скорость перемещения у разных бактерий различна и не зависит от числа жгутиков. Наибо­лее подвижным считается холерный вибрион, который за 1 се­кунду проходит расстояние, в 15 раз превышающее длину его тела. Большая же часть бактерий за 1 секунду перемещается на расстояние, близкое длине их тела. Движение клеток может быть направленным – таксисы. На подвижность бактерий очень сильное влияние оказы­вают условия внешней среды.

Шаровидные бактерии чаще всего неподвижны, извитые – подвижны, палочковидные – подвижны и неподвижны.

Размножение бактерий

Высокая интенсивность размножения имеет для бактерий большое биологическое значение, она обеспечивает сохранение микроорганизмов в окружающей среде. Размножение бактерий происходит путем деления клетки пополам.

Перегородка, образующаяся при делении вегетативной клетки, у шаровидных бактерий мо­жет проходить по любому из диаметров клетки; у палочковид­ных и извитых бактерий перегородка делит тело поперек; деле­ние спирохет может происходить вдоль тела бактерии.

Скорость деления бактериальной клетки при благоприятных условиях очень велика и составляет около 30 минут. Вновь образовавшиеся из одной две клетки через следующие 30 ми­нут, в свою очередь, образуют четыре клетки и т. д. Если бы все бактерии остались живыми, то через сутки они сплош­ным слоем покрыли бы весь земной шар. Однако этого не про­исходит, поскольку большая часть бактерий погибает вследствие неблагоприятных условий внешней среды: недостатка питания и влаги, колебаний температуры. И все же нет такого места на земле, нет такого предмета, которые оказались бы не обсемененными различными бактериями. Несмотря на массовую гибель бактерий, незначительная часть их, сохранившись, при благоприятных условиях вновь создает чудовищное по своему количеству потомство. Стоит бактериям попасть на пищевые продукты, которые являются для них питательной средой, как вскоре эти продукты окажутся испорченными из-за массо­вого размножения на них микроорганизмов. Поэтому очень важно при переработке и хранении пищевых продуктов создать такие условия, которые оказались бы неблагоприятными для бактерий и предотвратили их массовое размножение. С этой целью применяют низкие и высокие температуры, высушивание, (удаление влаги из продукта) и ряд других факторов, неблаго­приятно действующих на бактерии.

Рост культуры бактерий

При изучении роста бактерий необходимо разграничивать рост или увеличение размеров клеток от роста культуры, т.е. увеличения числа особей в данной бактериальной популяции, которое происходит в результате процессов размножения. Численность особей в культуре устанавливается прямыми и косвенными методами подсчета.

К прямым относятся:

1. Микроскопический подсчет клеток в счетной камере или на мембранных фильтрах (этим методом учитывается общее число живых и мертвых клеток);

2. Подсчет колоний на чашках Петри с питательной средой. Здесь определяется только число жизнеспособных клеток, которые на питательной среде образовали колонии.

Косвенными методами считаются:

1. Учет количества клеток с помощью прибора нефелометра по степени рассеяния света, которая увеличивается с увеличением числа клеток;

2. Учет бактериальной массы взвешиванием или по содержанию общего азота.