Тема1. Морфология бактерий

Известно, что универсальной биологической единицей всего живого является клетка. Клетки разных организмов построены однотипно. Важнейшими компонентами их являются три типа макромолекул: нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Биосинтез органических веществ осуществляется сходным образом, что объединяет разные организмы в единый мир живых существ.

Однако наряду с чертами сходства в последние годы при изучении строения клетки с применением электронной микроскопии выявлены существенные различия в структуре клеток различных организмов. Наиболее резкие различия установлены между бактериями с одной стороны и всеми остальными организмами (низшими и высшими) с другой. Эти различия дали основания разделить живые существа на две противоположные группы: прокариоты (доядерные и эукариотные истинно- ядерные). К прокариотам, как отмечалось выше, отнесены бактерии, цианобактерии (сине- зеленые водоросли), а к эукариотным- грибы, в т.ч. дрожжи, одноклеточные водоросли, простейшие

В клетках прокариот отсутствует истинное ядро и ядерная мембрана, нет ядрышка. Ядерный аппарат представлен одной хромосомой, расположенной непосредственно в цитоплазме. Прокариоты не имеют митохондрий, хлоропластов и других органоидов, характерных для эукариотов. Они содержат функциональные аналоги этих органоидов, которые не четко дифференцированы. Не развита сеть внутрикле­точных мембран, фотосинтетический аппарат у цианобактерий и фотосинтезирую-щих бактерий представлен в виде простых пластинчатых образований (тилакоиды). В составе клеточной стенки преобладает специфический гетерополимер - муреин пептидогликан (только для прокариот).

Клетка эукариот характеризуется более сложным строением, она имеет настоя­щее (истинное) ядро с ядрышком, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. В ядре содержится набор хромосом, постоянный для каждого вида организмов. В цитоплазме клетки расположены вакуоли, пластиды, митохондрии, все органеллы четко ограничены от цитоплазмы собственными мембранами. Основными вещества­ми в составе клеточных стенок у эукариот (грибов, растений) являются хитин, цел­люлоза.

Различия в структуре клеток прокариот и эукариот относятся к числу самых крупных биологических "разрывов", отмеченных в эволюции органического мира. Прокариоты рассматриваются как реликтовые формы, появившиеся на первых этапах биологической эволюции еще в анаэробных условиях. Несмотря на простоту организации клетки, прокариоты в процессе развития приобрели разносторонние физиолого-биохимические функции, обеспечивающие многообразие метаболичес­ких путей и как следствие - широкое распространение в природе. Развитие эукарио­тов произошло значительно позже - с появлением кислорода в атмосфере и рассматривается как гигантский скачок в эволюции организмов, проявившийся в ус­ложнении структурной организации и морфологической дифференциации.

Формы клеток, особенности строения и функции структурных элементов прокариотной (бактериальной) клетки.

Палочковидные, шаровидные и извитые. Размеры в микрометрах (мкм) 1 мкм=0,001 мм. В среднем диаметр тела кокков-0,5-1 мкм, а средняя длина палоч­ковидных - 2-5 мкм.

Клеточная стенка (оболочка) бактериальной клетки служит механическим барь­ером для предохранения содержимого клетки от вредного действия окружающей среды. Придает клетке определенную форму и сохраняет ее. В составе клеточной стенки прокариот преобладает специфическое полимерное соединение - пептидог­ликан (муреин), отсутствующий в клеточных стенках эукариотных организмов. Изве­стно, что одним из важнейших показателей при определении рода и вида бактерий служит окраска по Граму. Все бактерии делятся на Грам+ (положительные) и Грам-(отрицательные). Такое разделение основано на способности клеток окрашиваться фиолетовым красителем (генцианвиолетом) и не обесцвечиваться (или наоборот) спиртом, ацетоном. Этот метод окраски введен впервые в 1884 году датским физи­ком Христианом Грамом и используется как важнейший таксономический признак. Установлено, что свойство бактерий окрашиваться или не окрашиваться по Граму обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных сте­нок. У Грам+ клеточные стенки более толстые, многослойные. Высо­кая интенсивность размножения имеет для бактерий большое биологическое зна­чение. Она обеспечивает сохранение микроорганизмов в окружающей среде. При изучении роста бактерий необходимо разграничивать рост или увеличение разме­ров клеток от роста культуры, т.е. от 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 методам 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.

Совокупность бактерий, развивающихся в ограниченном объеме среды, пред­ставляет собой бактериальную популяцию. Размножение популяции в замкнутой среде протекает в определенной закономерности. Различают четыре основных фазы: начальная (лаг-фаза), логарифмическая (экспоненциальная), стационарная и фаза отмирания. Лаг-фаза имеет место от засева клеток в питательную среду до достижения максимальной скорости роста. Размножения почти не происходит, клетки приспосабливаются к условиям (иногда мешает избыток питательных ве­ществ), синтезируют индуцибельные (адаптивные) ферменты, белки, увеличивают­ся размеры клеток. Длительность лаг-фазы зависит от состава среды (чем она пол­ноценнее по составу, тем короче лаг-фаза), от количества и возраста клеток (чем старше культура и меньшее число клеток, тем лаг-фаза продолжительнее).

В логарифмической фазе все клетки находятся в состоянии активного деления. Нарастание количества клеток идет в геометрической прогрессии. Продолжитель­ность генерации, т. е. время между двумя последовательными делениями клетки, минимальная. Продолжительность скорости размножения в экспоненциальной фа­зе различна у разных видов бактерий. В процессе роста культуры происходит изме­нение состава среды, накапливаются продукты распада. Рост культуры замедляется и наступает стационарная фаза. Число жизнеспособных клеток перестает увеличи­ваться. Количество появляющихся клеток - примерно равно количеству отмерших. После достижения стационарной фазы начинается фаза отмирания. В этой фазе от­мирание клеток превышает скорость их размножения. Отмирание происходит в ре­зультате истощения питательной среды, накопления продуктов распада, старения клеток, спонтанного автолиза, т. е. под действием собственных ферментов (главным образом, протеолитических).

Кривая размножения бактериальной популяции.

А-В - лаг-фаза; В-Д - экспоненциальная фаза, Д-Е - стационарная фаза; Е-Н - фаза отмирания.(См. Курс лекций)

Подвижность бактерий. Шаровидные бактерии - чаше всего неподвижны, извитые - подвижны, палочко­видные - подвижны и неподвижны. Их движение осуществляется за счет жгутиков.

Скорость движения различна и не зависит от числа жгутиков. Движение клеток может быть направленным - таксисы.

Фимбрии (волоски или ворсинки) - эти нитевидные структуры образуются у всех бактерий. Они короче и тоньше жгутиков и покрывают всю поверхность клетки. Служат для объединения клеток или прикрепления их к субстратам.

Спорообразование у бактерий.

При неблагоприятных условиях развития (недостаток питательных веществ, влаги и т. д.) у некоторых видов бактерий (преимущественно у палочковидных родов Bacillus, Clostndium) в клетках образуются споры. В каждой клетке образуется только одна спора (эндоспора).

При образовании споры в клетке происходит сложный физиологический процесс. Клетка обезвоживается, идет концентрирование цитоплазмы, образуется специфическое для споры вещество дипиколиновая кислота. Дипиколинат Са является основным веществом оболочек споры. С наличием его, а также высоким содержанием липидов связывают высокую термоустойчивость спор по сравнению с вегетативными клетками. Пример: вегетативные клетки Bacillus subtilis отмирают при нагревании до 75° в течение 1-2 мин, споры - при 120° в течение 30 мин. Споры сохраняют свою жизнеспособность (но не жизнедеятельность, т. к. это покоящееся состояние клетки) неограниченное время. Попадая на подходящую питательную среду, спора прорастает и превращается в вегетативную форму. Споры имеют округлую или овальную форму. У Clostndium диаметр споры превышает ширину клетки, клетка приобретает форму веретена или теннисной ракетки. Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки бактерий. Знание условий, способствующих образованию спор у бактерий, и условий, вызывающих их прорас­тание, имеет большое значение в выборе способа обработки продуктов для предот­вращения их микробной порчи.