Строение бактерий - микробиология с техникой микробиологических исследований
Несмотря на микроскопические размеры и внешнюю простоту устройства бактерии по своему строению представляют собой сложные организмы. Их тонкую структуру удалось установить с помощью электронной микроскопии и микрохимическими исследованиями (рис. 4).
По современным представлениям тело бактерий построено по типу растительных клеток и состоит из оболочки, внутреннего содержимого (цитоплазмы) и ядра.
Оболочка бактерий тонка и бесцветна. Она обусловливает сохранение бактериями относительного постоянства форм и поверхностные свойства бактериальной клетки — поверхностное натяжение, электрический заряд, осмотическое состояние.
В оболочке имеются три слоя: 1) внутренний — цитоплазматическая мембрана, 2) средний — клеточная стенка и 3) наружный — слизистый. Они защищают клетку от вредных факторов окружающей среды.
Цитоплазматическая мембрана находится под клеточной стенкой и составляет наружный слой цитоплазмы. Ее толщина — 50—75 А. На ее поверхности находятся различные ферменты. Одни из них принимают участие в синтезе белков, другие — в процессе дыхания.
Клеточная стенка имеет величину 100—200А. Она довольно плотная, придает бактериям определенную форму и обладает избирательной способностью к веществам окружающей среды и продуктам обмена самой клетки. Клеточная стенка некоторых грамотрицательных бактерий характеризуется многослойным строением и состоит из макромолекул углеводов, липоидов и белков. Такая же многослойная структура присуща и грамположительным бактериям, у которых глубокий слой, граничащий с цитоплазматической мембраной, состоит из белков, а более поверхностно расположен рибонуклеат магния.
Наличие клеточной стенки у бактерий можно доказать при явлениях плазмолиза или плазмоптиз а. Сущность плазмолиза заключается в следующем.
Рис. 4. Схематическое изображение строения бактерийной клетки.
Если бактерии поместить в гипертонический раствор сахара или поваренной соли, то цитоплазма обезвоживается, сморщивается и вместе с цитоплазматической мембраной отходит от клеточной стенки, которая становится отчетливо заметной как в окрашенных, так и неокрашенных препаратах. При обратном отношении концентрации, т. е. когда бактерии находятся в гипотонических растворах или дистиллированной воде, клетки разбухают до крайних пределов, разрываются и клеточная стенка отчетливо выявляется в окрашенном или неокрашенном состоянии (плазмоптиз).
Капсула. Клеточная стенка снаружи покрыта слоем слизи. У некоторых бактерий этот слизистый слой может достигать значительной толщины и тогда вокруг клетки образуется подобие футляра — капсула. Поперечник капсулы иногда во много раз превышает размеры самого микробного тела. Капсулы хорошо видны при специальном методе окраски по Гинсу, на темном фойе препарата выделяется окрашенный микроб, окруженный ободком бесцветной слизи (см. рис. 19). Патогенные бактерии (пневмококк, бациллы сибирской язвы и др.) образуют капсулу только в организме больного человека или животного. Для некоторых микроорганизмов (группа капсульных бактерий — бактерии пневмонии, озены и риносклеромы) наличие капсулы является их постоянным признаком, т. е. они образуют капсулу как в организме, так и вне его. Капсулы для патогенных бактерий являются полезным образованием, защищающим их от вредного воздействия макроорганизма (фагоцитоза, действия антител). Это можно видеть на примере пневмококков и сибиреязвенных бацилл, которые в организме образуют капсулу, а попадая во внешнюю среду, утрачивают ее.
Химический состав капсул неоднороден. У одних бактерий слизистый слой состоит из высокомолекулярных полисахаридов и глюкопротеидов (например, у пневмококка), у других из протеинов (у бацилл сибирской язвы).
Цитоплазма микробов представляет собой смесь коллоидов, имеет жидкую консистенцию. В ее состав входит вода, белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и другие вещества. При электронной микроскопии в цитоплазме обнаруживают мелкие зерна (гранулы ) 100—200 А в диаметре, содержащие дегидразы, различные цитохромы, рибонуклеиновую кислоту. Гранулы, богатые РНК, называются рибосомами, в них происходит синтез белков и ферментов. Гранулярные структуры обладают биохимической активностью. Нередко в цитоплазме содержатся разнообразные включения — сера, капли жира (липопротеидные тельца), гранулеза, гликоген, зерна пигмента. Из белковых веществ встречаются зерна волютина, которые представляют собой нуклеопротеид и содержат значительное количество метафосфатов и других соединений фосфора. Особенно хорошо развиты эти зерна у Spirillum volutans и поэтому они получили название волютиновые. Зерна волютина отличаются метахромозией, т. е. окрашиваются темнее цитоплазмы или избирательно принимают иную окраску, чем цитоплазма. Отсюда еще одно их название — метахроматические зерна. Наличие зерен волютина является одним из диагностических признаков при определении микроорганизмов (например, у дифтерийной палочки). Липопротеидные тельца и гранулы волютина используются бактериями при недостатке питательных веществ в среде. У некоторых микробов (кишечная палочка, микобактерии, сальмонеллы и др.) встречаются округлые или эллипсоидные зерна различной величины и содержащие фосфолипиды (м итохондрии). Митохондрии обладают системой окислительно-восстановительных ферментов и принимают участие в дыхательных процессах и анаэробном бродилыюм распаде веществ. В цитоплазме встречаются также вакуоли (6—10 и более), состоящие из различных растворенных в воде веществ. Вакуоли окружены мембраной — тонопластом. Роль вакуолей в жизнедеятельности бактерий не выяснена. На периферии цитоплазмы обнаруживаются тельца — мезосомы, играющие большую роль в образовании клеточной стенки и делении.
У некоторых бактерий удается воздействием пенициллина, лизоцима или бактериофага отделить цитоплазму от клеточной стенки. Бактерии, лишенные клеточной стенки, называются протопластами. Они представляют собой сферической формы тела, которые при соответствующих осмотических условиях обладают способностью к росту, дыханию, синтезу ферментов, протеинов, нуклеиновых кислот, спорообразованию. В отличие от бактерий протопласты не размножаются, весьма чувствительны к изменениям осмотического давления, механическим воздействиям и аэрации, действию антибактериальных веществ.
При частичной потере клеточной стенки наблюдается образование сферой ластов. В отличие от протопластов сферопласты сохраняют способность адсорбировать на себе бактериофаги.
Ядро. У бактерий (нуклеоид) ядро является важнейшим органоидом клетки, принимающим участие в жизнедеятельности, делении и спорообразовании. Компактное ядро встречается у крупных микроорганизмов (дрожжевых и дрожжеподобных грибах) и хорошо видно в обычном оптическом микроскопе при специальных методах окраски. У бактерий ядро мелкое и становится видимым только в электронном микроскопе. С помощью электронного микроскопа было доказано не только наличие у бактерий ядра в виде плотного хроматинового тяжа, но и выявлены изменения его формы, размеров и степени компактности. Доказано также, что более зрелым и старым клеточным формам свойственны более компактные ядра. Наличие хроматиновой субстанции у бактерий доказано и с помощью микрохимической нуклеальной реакции на тимонуклепновую кислоту, являющуюся обязательной частью хроматина.
Ядерная структура микробной клетки состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и выполняет основные функции ядра — самоудвоение, контролирование синтеза специфических белков, передача наследственных признаков потомству.
Споры. Для многих бактерий характерно образование спор. В отличие от вегетативных форм, которые представляют собой активную стадию бактериальной клетки, когда энергично проявляются все физиологические функции, споры — это покоящаяся форма микроорганизма. Спорообразование происходит обычно тогда, когда во внешней среде для бактерий создаются неблагоприятные условия: накопление вредных продуктов обмена, соответствующая температура, действие солнечных лучей, старение культуры микроорганизма на питательной среде и т. п. В организме человека и животных спорообразование не наблюдается.
То обстоятельство, что спорообразование наступает при условиях, неблагоприятных для жизнедеятельности бацилл, свидетельствует о том, что спора является приспособлением, служащим не для размножения клеток, а для сохранения вида. Это подтверждается еще и тем, что одна бактериальная клетка способна образовывать только одну спору.
Споры у различных бацилл отличаются друг от друга по форме, размеру и расположению в клетке. Например, спора у столбнячной палочки круглая, расположена на конце (терминально) и диаметр ее больше диаметра тела бацилл (см. рис. 17), а споры возбудителя сибирской язвы располагаются центрально, имеют овальную форму и диаметр их не превышает поперечника микробной клетки (см. рис. 97). Субтерминальное (ближе к одному концу) расположение споры характерно для возбудителей газовой гангрены, ботулизма.
Процесс спорообразования происходит у бактерий в относительно короткий срок (примерно в течение 24 часов). Сущность процесса заключается в том, что содержимое микробной клетки постепенно уплотняется и, концентрируясь в одном месте, покрывается плотной оболочкой. Постепенно вегетативная часть бактериальной клетки отмирает. Оболочка споры состоит из двух слоев: наружного и внутреннего. Наружный слой трудно проницаем для воды и различных веществ, из внутреннего при прорастании споры образуется клеточная оболочка бактерий. Попав в условия, благоприятные для развития (наличие необходимой питательной среды, влажности, температуры), споры быстро прорастают, превращаются в вегетативные формы. При этом оболочка споры сначала разбухает, а потом растворяется или разрывается, благодаря действию ферментов и из нее выходит бактерийный проросток, одетый в тонкую оболочку и превращающийся затем в вегетативную клетку.
Процесс прорастания спор занимает обычно 4—5 часов. Малая проницаемость оболочки спор является причиной того, что при обычных методах окраски они остаются бесцветными. Чтобы их окрасить, нужно применить энергичные воздействия, приводящие к разрыхлению оболочки. Химический состав споры характеризуется малым количеством свободной воды и большим содержанием липоидов, что в значительной степени обусловливает устойчивость спор к воздействию ряда неблагоприятных физических и химических факторов. Например, температура 100° не убивает споры- для их уничтожения необходимо воздействие более высоких температур. Низкие температуры и высушивание споры выдерживают в течение многих лет. Спорообразование характерно для бацилл, среди кокковых форм оно встречается редко (у мочевой сарципы, энтерококка).
Жгутики. Все бактерии подразделяются на подвижные и неподвижные. Среди подвижных встречаются ползающие и плавающие. Ползающие бактерии медленно передвигаются (ползут) по опорной поверхности в результате волнообразных сокращений их тела (например, Myxobacterium). Плавающие бактерии свободно передвигаются в жидкой среде при помощи жгутиков. Жгутики — это тончайшие, эластические извитые нити, начинающиеся от базальных гранул в цитоплазме и выходящие наружу через оболочку. Их диаметр измеряется сотыми долями микрона (0,02—0,05 мк), а длина их иногда во много раз превышает размеры тела самого микроба. Жгутики — хрупкие образования и быстро отрываются от клеток при встряхивании, других механических воздействиях и обработке различными химическими веществами. Число и расположение жгутиков у различных микроорганизмов неодинаковы. В этом отношении подвижные бактерии разделяются на несколько типов (рис. 5).
- Монотрихи — бактерии с одним жгутиком на конце (например, холерный вибрион).
Рис. 5. Жгутики у бактерий.
- Лофотрихи — бактерии с пучком жгутиков на одном из полюсов клетки (например, Bact. faecalis alcaligenes).
- Перитрихи — бактерии со жгутиками, расположенными вокруг всего тела микроба (например, бактерии тифо-паратифозной группы).
Жгутики настолько тонки, что их не удается видеть при обычной микроскопии препаратов с живыми или убитыми микробами. Обнаружить жгутики можно следующим образом:
а) при микроскопировании в затемненном поле зрения со специальным конденсором, создающим сильное боковое освещение, в приготовленной «висячей» или «раздавленной» капле (см. стр. 53).
б) в препарате с подвижными бактериями после специальной обработки протравой, например раствором танина. Этим достигается набухание жгутиков и увеличение их размера (диаметра). После окраски соответствующим красителем такого препарата жгутики становятся видимы при обычном микроскопировании.
Рис. 6. Жгутики под электронным микроскопом.
Рис. 7. Бахромки (реснички) под электронным микроскопом.
При электронной микроскопии (рис. 6) можно не только хорошо увидеть жгутики, но и ознакомиться с деталями их строения. Они имеют спиралевидную форму и винтообразное строение. Осевая нить жгутиков состоит из двух перевитых нитей, покрытых чехлом. В состав жгутиков входит особый белок — флагеллин, сокращением которого определяется интенсивность и характер движения бактерий. Наиболее быстрые и прямолинейные движения совершают монотрихи и лофотрихи. Например, холерный вибрион передвигается со скоростью 30 мк в секунду, что превосходит его размер в 30 раз. Перитрихам присущи менее энергичные и более беспорядочные движения. Характер движения бактерий зависит также от возраста и свойств культуры (молодые клетки двигаются более энергично), температуры (оптимальная температура способствует движению), наличия химических веществ и других факторов. При неблагоприятных условиях существования бактерии могут лишиться жгутиков, сохраняясь в таком состоянии в ряде последующих поколений. Поверхность тела у ряда бактерий покрыта многочисленными бахромками — ресничками, ворсинками (рис. 7). Роль бахромок в жизнедеятельности бактерий пока не выяснена. Полагают, что бахромками микробы прикрепляются к поверхности определенных субстратов и возможно принимают участие в питании бактериальной клетки.
СПИРОХЕТЫ
К группе спирохет относятся микроорганизмы, имеющие извитую форму и по своим биологическим свойствам занимающие промежуточное положение между бактериями и простейшими. Тело спирохет состоит из цитоплазмы, которая в виде спирали расположена вокруг центральной осевой нити, образуя первичные завитки. Изгибы осевой нити образуют вторичные завитки, число которых и форма характерны для различных видов спирохет. Они не имеют клеточной оболочки и компактного, оформленного ядра. Некоторые спирохеты имеют длинные тонкие жгуты, располагающиеся пучками по концам тела и видимые в электронном микроскопе. Спирохеты подвижны, что обусловливается сократимостью их цитоплазмы и эластичностью осевой нити. Различают вращательные, сгибательные и поступательные движения. Размножаются спирохеты путем простого поперечного деления, трудно культивируются на питательных средах. К патогенным спирохетам относятся возбудитель сифилиса — бледная спирохета, спирохета возвратного тифа (рис. 8 на вклейке) и лептоспиры, вызывающие у человека желтушный и безжелтушный лептоспирозы.
Рис. 8. Спирохеты возвратного тифа в крови.
РИККЕТСИИ
Риккетсии составляют группу микроорганизмов, занимающих промежуточное место между бактериями и вирусами. Форма их разнообразна: круглая, палочковидная и нитевидная, длина варьирует от 0,3 до 40 мк. Обычными анилиновыми красками окрашиваются плохо, что зависит от липоидной их оболочки. Для их окраски применяют специальные методы. По Романовскому— Гимзе цитоплазма риккетсий окрашивается в голубой цвет, а хроматиновые зерна — в красноватый. По Здродовскому риккетсии красятся в рубиново-красный цвет, цитоплазма клеток, в которых они находятся, — в голубой, а их ядра — в синий цвет. Отсутствие у риккетсий способности размножаться па искусственных питательных средах и внутриклеточный паразитизм сближают их с вирусами.
П. Ф. Здродовскнй различает четыре типа риккетсий:
- Тип а, или кокковидные риккетсии, в виде очень мелких овоидов или эллипсоидов («коккобациллы») диаметром около 0,5 мк, часто образующие диплоформы или цепочки.
- Тип в, или палочковидные риккетсии, в виде нежных коротких палочек диаметром от 1 до 1,5 мк.
- Тип с, или бациллярные (длинные палочковидные) риккетсии, в виде удлиненных и обычно изогнутых тонких палочек размером 3—4 мк.
- Тип d, или нитевидные риккетсии, в виде длинных нередко гигантских причудливо изогнутых нитей, напоминающих крупные спириллы размером 10— 20—40 мк и больше.
Патогенные риккетсии вызывают заболевания у человека и животных, типичным представителем риккетсий является Rickettsia provaceki — возбудитель сыпного тифа.
ВИРУСЫ
Ряд инфекционных болезней человека, животных и растений, вызывается такими микробами, размеры которых исчисляются в миллимикронах. К вирусным заболеваниям относятся: оспа, бешенство, полиомиелит, грипп, корь и др. В настоящее время насчитывается более 500 вирусов, поражающих человека и животных.
Строение вирусов доступно изучению лишь при больших увеличениях электронного микроскопа. Форма их бывает круглой, палочковидной, кубоидалыюй и нитевидной. Размеры вирусов колеблются от 10 до 350 ммк. Наиболее крупные вирусы называются элементарными тельцами. Если их величина больше 0,2 мк, то они видимы в обычном, оптическом микроскопе с помощью иммерсионной системы. Элементарные тельца при оспе (размер их около 0,2 мк) могут быть обнаружены в оптическом микроскопе только при специальном методе обработки (метод Морозова).
По данным электронномикроскопических исследований, центральная часть вируса представляет собой нуклеиновую кислоту — нуклеоид, образование, напоминающее ядро, заключенное в оболочку — капсиду, состоящую из отдельных белковых субъединений — к а п с ом е р о в. Более сложно устроенные вирусы, кроме капсиды, имеют внешнюю оболочку, в состав которой входят углеводы, липиды. При некоторых вирусных инфекциях в клетках пораженных тканей обнаруживаются особые включения, строение которых и расположение всегда характерны для определенного вируса. Так, при бешенстве в цитоплазме нервных клеток головного мозга обнаруживаются включения в виде телец Бабеша — Негри, в цитоплазме клеток эпителия при оспе — тельца Гварниери и т. д. Величина внутриклеточных включений колеблется от 0,25 до 20—30 мк, форма их круглая и овальная, грушевидная, веретенообразная или серповидная. Располагаются они в цитоплазме или ядрах клеток, а иногда и в цитоплазме и ядре. Природа внутриклеточных включений точно не выяснена. Полагают, что они являются реактивными образованиями клеток, в которых скопляются вирусные частицы (колонии вирусов). Для обнаружения внутриклеточных образований, что имеет большое диагностическое значение, готовят мазки или срезы из ткани и окрашивают их специальными методами (по Морозову, по Туревичу, или по Муромцеву).
