Цитоплазматическая мембрана бактерий

Цитоплазма каждой клетки окружена мембраной, которая ограничивает ее от окружающей среды. Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) является исключительно полифункциональной структурой:

1. ЦПМ воспринимает всю химическую информацию, поступающую в клетку из внешней среды.

2. Она является основным осмотическим барьером, благодаря которому внутри клетки поддерживается определенное осмотическое давление.

3. ЦПМ совместно с клеточной стенкой участвует в регуляции роста и клеточного делениябактерий.

4. ЦПМ участвует в регуляции процессов репликации и сегрегации хромосом и плазмид (они связаны с ее рецепторами).

5.В ЦПМ содержится значительное количество ферментов, в том числе системы переноса электронов (ЦПМ — место генерации энергии у бактерий).

6. С ЦПМ связаны жгутики и аппарат регуляции их движения.

7. ЦПМ участвует в процессах транспорта (в том числе активного) питательных веществ в клетку и продуктов жизнедеятельности, включая ферменты и экзотоксины, из клетки в окружающую среду. В ней содержатся белки, участвующие в облегченной диффузии и активном транспорте.

8. ЦПМ играет важную роль в компартментализации и стабилизации рибосом.
9.ЦПМ участвует в синтезе компонентов клеточной стенки.
10. ЦПМ участвует в образовании мезосом (мезосомы образуются в результате инвагинации участка ЦПМ в цитоплазму, они открыты в периплазматическое пространство).

Каким образом мембрана осуществляет на молекулярном уровне свои многочисленные функции — один из актуальнейших вопросов современной биологии. На долю ЦПМ приходится около 10% сухого веса бактерий. Она содержит 25—40% фосфолипидов, образующих два слоя, 20—75% белков и до 6% утлеводов. Молекулы фосфолипидов асимметричны: головки, несущие электрический заряд, гидрофильны; хвостики — нейтральны и гидрофобны. Фосфолипиды упакованы в мембране следующим образом: их полярные гидрофильные головки обращены наружу и образуют два слоя ЦПМ — внутренний и внешний, а неполярные гидрофобные хвостики скрыты в толще мембраны. На электронограммах ЦПМ имеет вид трехслойной структуры, состоящей из двух 2 параллельных темных слоев и разделяющего их светлого слоя. Этот слой более проницаем для электронов, чем слои, состоящие из полярных концов фосфолипидов, ассоциированных с белками. Специфичность функций ЦПМ во многом зависит от набора содержащихся в них белков. Расположение их в ЦПМ своеобразно: некоторые белки пронизывают весь двойной липидный слой, определенная часть белков связана или только с внутренней, или только с наружной поверхностью мембраны. Это вытекает из того, что взаимодействие между мембраной и цитоплазмой, с одной стороны, мембраной и внешней средой, с другой — определяет различные, хотя и взаимосвязанные процессы ее жизнеобеспечения: облегченная диффузия, активный транспорт, элементарной биологической мембраны.

При избыточном росте (по сравнению с рос­том клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты - впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами. Роль мезосом и внутрицитоплазматических мембран до конца не выяснена. Предполагают даже, что они являются артефактом, возника­ющим после приготовления (фиксации) пре­парата для электронной микроскопии. Тем не менее, считают, что производные цитоплазматической мембраны участвуют в делении клетки, обеспечивая энергией синтез клеточ­ной стенки, принимают участие в секреции веществ, спорообразовании, т. е. в процессах с высокой затратой энергии.

Цитоплазмазанимает основной объем бак­териальной клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включе­ний и многочисленных мелких гранул — ри­босом, ответственных за синтез (трансля­цию) белков.

Рибосомыбактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от 8OS-рибосом, характерных для эукариотических клеток. Поэтому некото­рые антибиотики, связываясь с рибосомами бактерий, подавляют синтез бактериального белка, не влияя на синтез белка эукарио­тических клеток. Рибосомы бактерий могут диссоциировать на две субъединицы -- 50S и 30S. Рибосомные РНК (рРНК.) — консер­вативные элементы бактерий («молекуляр­ные часы» эволюции). 16S рРНК. входит в состав малой субъединицы рибосом, a 23S рРНК— в состав большой субъединицы ри­босом. Изучение 16S рРНК. является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов.

В цитоплазме имеются различные включе­нияв виде гранул гликогена, полисахаридов, бета-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Все запасные вещества присутствуют в клетки в химически инертной форме. Такое состояние препятствует нарушению осмостаза клеточного содержимого. Некоторые включения просто лежат в цитоплазме, другие окружены тонкой мембраной. Мембрана обычно белковой природы, но иногда может содержать и липиды. Они накапливаются при избытке питательных веществ в окружающей среде и выполняют роль запасных веществ для пита­ния и энергетических потребностей.

Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Толуидиновым синим или метиленовым голу­бым волютин окрашивается в красно-фиоле­товый цвет, а цитоплазма бактерии — в синий. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде ин­тенсивно прокрашивающихся полюсов клетки. Метахроматическое окрашивание волютина связано с высоким содержанием полимеризованного неорганического полифосфата. При электронной микроскопии они имеют вид элек­тронно-плотных гранул размером 0,1—1,0 мкм.

Нуклеоид— эквивалент ядра у бактерий. В 1956 году внутри бактериальных клеток была обнаружена «ядерная зона», или нуклеоид, где размещена бактериальная хромосома. Бактериальная ДНК обнаружена в кольцевой и линейной формах. Для клеток E.coli доказано, что ДНК существует в виде кольцевой молекулы, в то время как для Borrelia burgdorferi в 1989 г. показано, что клетки содержат ДНК в линейной форме. Нуклеоид, в отличие от ядра эукариот, не име­ет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, но при нарушении деления в ней может находиться 4 и более копий одной хромосомы. У некоторых видов в клетки обнаружены две и три неидентичных хромосомы. У видов Vibrio, Leptospira interrogans обнаружены две кольцевые хромосомы. Поэтому идея, что бактерии содержат только одну хромосому, считается устаревшей. Нуклеоид выявляется в световом микроскопе после ок­раски специфическими для ДНК методами: по Фельгену или по Романовскому—Гимзе. На электронограммах ультратонких срезов бактерий нуклеоид имеет вид светлых зон с фибриллярными, нитевидными структурами ДНК, связанной определенными участками с цитоплазматической мембраной или мезосомой, участвующими в репликации хромосо­мы.

Кроме нуклеоида в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности — плазмиды, представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.Они кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преиму­щества при попадании в неблагоприятные условия существования.

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. Поверхность колоний клеток с капсулами выглядит гладкой, влажной, блестящей.

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 внешних границ. Слизь растворима в воде.

Мукоидные экзополисахариды характерны для мукоидных штаммов синегнойной палоч­ки, часто встречающихся в мокроте больных с кистозным фиброзом. 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.

Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания, так как, явля­ясь гидрофильными, хорошо связывают воду, препятствуют действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов.

Жгутикибактерий 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:

1. -спиралевидной нити,

2. - крюка

3. - базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (1 пара дисков — у грамположительных и 2 пары — у грамотрицательных бактерий) и моторными белками (рис).

Дисками жгутики при­креплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем — ротором, вра­щающим жгутик. В качестве источника энер­гии используется разность протонных по­тенциалов на цитоплазматической мембране. Механизм вращения обеспечивает протонная АТФ-синтетаза. Скорость вращения жгути­ка может достигать 100 об/с. У бактерий жгутики правовращающиеся. При наличии у бактерии нескольких жгутиков они начинают синхронно вращаться, сплетаясь в единый пу­чок, образующий своеобразный пропеллер.

Жгутики состоят из белка — флагеллина(от. flagellum — жгутик), являющегося антигеном — так называемый Н-антиген. 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. Лофотрихиимеют пучок жгутиков на одном из концов клетки. Амфитрихи имеют по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки.

Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии препаратов, напыленных тяжелы­ми металлами, или в световом микроскопе после обработки специальными методами, основанны­ми на протравливании и адсорбции различных веществ, приводящих к увеличению толщины жгутиков (например, после серебрения).

Ворсинки, или пили(фимбрии) — нитевид­ные образования, более тонкие и короткие, чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина,который организован в спиральную структуру. Архитектура пилей варьирует от тонких нитевидных до толстых прочных палочкообразных образований с осевыми отверстиями. Они обладают 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 пили 4-го типа, или конъюгационные, пили.

Обычно 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-, Со/-плазмиды). Отличительной осо­бенностью половых пилей является их взаи­модействие с особыми «мужскими» сферичес­кими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях (рис. ).

Основное предназначение пилей поддерживать на своих концах специфические прикрепительные структуры (адгезины). Адгезины являются посредниками при бактериальных контактах, при контактах с неживыми объектами, тканями и клетками восприимчивых организмах. Колонизация тканей хозяина бактериальными патогенами обычно зависит от стереохимического подобия между архитектурой адгезина и соответствующего рецептора клетки хозяина (рис). Таким образом, изучение функционирования пилей позволит не только глубже понять механизм колонизации и передачи сигналов, но и вести разработку новых поколений антимикробных препаратов.

Споры — своеобразная форма покоящихся бактерий с грамположительным типом строе­ния клеточной стенки (рис.).

Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высуши­вание, дефицит питательных вешеств и др.). Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора). Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения, как у грибов.

Спорообразующие бактерии рода Bacillus, у которых размер споры не превыша­ет диаметр клетки, называются бациллами. Спорообразующие бактерии, у которых раз­мер споры превышает диаметр клетки, отчего они принимают форму веретена, называют­ся клостридиями, например бактерии рода Clostridium (лат. clostridium — веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля—Нельсена в красный, а вегетативная клетка — в синий.

Спорообразование, форма и расположение спор в клетке (вегетативной) являются ви­довым свойством бактерий, что позволяет отличать их друг от друга.

Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке :

1. терминальное, т. е. на конце палоч­ки (у возбудителя столбняка),

2. субтерминаль­ное— ближе к концу палочки (у возбудителей ботулизма, газовой гангрены)

3. центральное (у сибиреязвенной бациллы).

Процесс спорообразованя (споруляция) прохо­дит ряд стадий, в течение которых часть цитоп­лазмы и хромосома бактериальной вегетатив­ной клетки отделяются, окружаясь врастающей цитоплазматической мембраной, — образуется проспора.

Проспоруокружают две цитоплазматические мембраны, между которыми формиру­ется толстый измененный пептидогликановый слой кортекса (коры). Изнутри он соприкаса­ется с клеточной стенкой споры, а снаружи — с внутренней оболочкой споры. Наружная обо­лочка споры образована вегетативной клеткой.

Споры некоторых бактерий имеют дополни­тельный покров — экзоспориум.

Таким образом формируется многослойная плохо проницаемая оболочка. Спорообразование сопровождается интенсивным потреблением проспорой, а затем и формирующейся оболочкой споры дипиколиновой кислоты и ионов кальция. Спора приоб­ретает термоустойчивость, которую связывают с наличием в ней дипиколината кальция.

Спора долго может сохраняться из-за нали­чия многослойную оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизма. В почве, например, возбудители сибирской язвы и столбняка мо­гут сохраняться десятки лет.

В благоприятных условиях споры прораста­ют, проходя три последовательные стадии (рис):

1. активацию

2.инициацию

3. вырастание

При этом из одной споры образуется одна бактерия.

Активация — это готовность к прорастанию. При температуре 60—80°С спора активируется для прорастания.

Инициация прорастания длит­ся несколько минут. Стадия вырастания характе­ризуется быстрым ростом, сопровождающимся разрушением оболочки и выходом проростка.

Вопросы для самоконтроля

Тема 3. Морфологические особенности некоторых представителей прокариот (хламидии, микоплазмы, риккетсии, актиномицеты, спирохеты )

Существуют представители прокариот, занимающие промежуточное морфо-физиологическое положение как между бактериями и вирусами (хламидии, микоплазмы, риккетсии), так между бактериями и простейшими (спирохеты) или бактериями и грибами (актиномицеты). Изучение их морфологических особенностей представляет особый интерес для современной медицинской микробиологии, так как они являются возбудителями заболеваний, требующих особых метов диагностики и лечения

Хламидии по своим свойствам занимают промежуточное положение между истинными бактериями и вирусами.

Общие признаки хламидий с бактериями:

1. структурная организация – клеточная

2. содержание ДНК и РНК в характерном для бактерий сочетании: доля Г-Ц у С. trachomatis – 45%, C. psittaci – 40%.

3. имеют рибосомы прокариотического типа - 70S, подразделенного на 30 S и 50 S.

4. имеют клеточную оболочку, сходного с Гр «-» м/о.

5. размножаются путем бинарного деления.

6. чувствительны к антибактериальным препаратам тетрациклинового ряда, макролидам и др..

Общие признаки хламидий с вирусами:

1. абсолютные внутриклеточные паразиты, размножаются в цитоплазме клеток хозяина.

2. имеют ограниченные метаболические возможности – «энергетические паразиты» - не способны к синтезу АТФ и НАДФ. Хламидии получают АТФ из клеток хозяина. Макромолекулярный синтез клеток хозяина тормозится и высокоэнергетические субстанции переходят на синтез протеинов и липидов хламидий.

3. оказывают цитопатическое действие на клетки хозяина.

4. культивировируются в желточном мешке куриных эмбрионов и тканевых культур.

Морфологические и тинкториальные свойс­тва. Хламидии — это мелкие грамотрицательные бактерии шаровидной (кокковидной) или овоидной формы. Не образуют спор, не имеют жгутиков и капсулы.

Строение клеточной стенки хламидий от­личается от других бактерий: она представ­ляет собой двухслойную мембрану, ограни­чивающую периплазматическое пространс­тво. У хламидии отсутствует «классический» пептидогликан (не содержит или содержит в небольшом количестве N-ацетил-мурамовую кисло­ту — основной компонент пептидогликана), но при этом в геноме содержатся гены, кодирующие белки, которые необходимы для его полного синтеза. Предполагается, что синтезируемые пептидогликан или пептидогликановый компонент имеют иные функции, отличные от других бактерий.Ригидность клеточной стенке придают пептиды, перекрестно сшитые пептидными мостиками. В остальном хламидии сходны с другими грамотрицательными бактериями. Они имеют гликолипиды, аналогичные ЛПС наружной мембраны клеточной стенки грамотрицательных бактерий, и при окраске по Граму приобретают красный цвет. Основным методом выявления хламидий является метод окраски по Рамановскому – Гимзе.

В 1998 году R.S. Stephens с командой ученых сообщили о секвенировании генома Chlamydia trachomatis. Геном хламидий имеет небольшой размер и составляет не более 15% генома кишечной палочки. Он состоит из хромосомы, содержащей 1042519 пар оснований (58,7%) и плазмиды, имеющей в своем составе 7493 пар оснований.

Длительное время считалось, что хламидии имеют характерный дефект ряда ферментных систем и не способны самостоятельно окислять глутамин и пируват, а также осуществлять фосфорилирование и эффективное окисление глюкозы. Хламидии являясь облигатными внутриклеточными энергетическими паразитами, используют метаболическую энергию эукариотической клетки в виде АТФ и других макроэргических соединений, но в настоящее время анализ генома показал, что хламидии способны синтезировать АТФ, хотя и в незначительных количествах, путем гликолиза и расщепления гликогена. Гликолитический цикл редуцирован, поскольку не обнаружены некоторые ферменты, что компенсируется через пентозофосфатный и гексозофосфатные шунты. Хламидии в процессе приспособления к внутриклеточному паразитизму выработали уникальные структуры и биосинтетические механизмы, не имеющие аналогов у других бактерий. Не объяснен тот факт, что у хламидии не обнаружен высококонсервативный ген Ftsz, абсолютно необходимый для клеточного деления всех прокариот, поскольку он ответственен за образование клеточной перегородки во время деления клетки.

Хламидии полиморфны что связанно с особенностями репродукции. Жизненный цикл хламидий существенно отличается от бактерий. Хламидии существуют в двух формах, различающихся по морфологическим и биологическим свойствам. Высокоинфекционной, внеклеточной формой является элементарное тельце (ЭТ), и вегетативной, репродуцирующейся, внутриклеточной - ретикулярное тельце (РТ).

Элементарные тельца представляют собой мелкие (размер 0,2-0,3 мкм) метаболически неактивные инфекционные частицы, кото­рые располагаются вне клетки. Они имеют толстую оболочку, состоящую из внутрен­ней и наружной мембран, что определяет их относительно высокую устойчивость к не­благоприятным условиям окружающей сре­ды. В ЭТ содержится больше дисульфидных связей, что позволяет им противостоять осмотическому давлению. Элементарные тельца окрашиваются по Романовскому – Гимзе в красный цвет. Внутри клеток элементарные трансформируются в ретикулярные тельца.

Ретикулярные тельца являются вегетативной формой хламидий, обычно имеют овоидную форму и крупнее элементарных телец в не­сколько раз (их размер 0,4+0,6x0,8-5-1,2 мкм). РТ имеет структуру типичных грамотрицательных бактерий размером около 1 мкм. Они располагаются внутриклеточно около ядра и окрашиваются по Романовскому – Гимзе в голубой или фиолетовый цвет. Инфекционность ретикулярных телец по сравнению с элементарными крайне мала.

Жизненный цикл.Первый этап инфекционного процесса - адсорбция ЭТ на плазмалемме чувствительной клетки хозяина. Важную роль на этом этапе играют электростатические силы. Внедрение хламидий происходит путем эндоцитоза. Инвагинация участка плазмалеммы с адсорбированным ЭТ происходит в цитоплазму с образованием фагоцитарной вакуоли. Эта фаза занимает 7-10 часов. После этого уже в клетке в течение 6-8 часов происходит реорганизация ЭТ в вегетативную форму-ретикулярное тельце, способное к росту и делению Именно на этой фазе эффективно курсовое применение антибактериальных препаратов, поскольку ЭТ к ним не чувствительно.

Размножение хламидий ведет к формированию включений, известных под названием телец Гальберштедтера–Провачека. В течение 18-24 часов развития они локализованы в цитоплазматическом пузырьке, образованном из мембраны клетки хозяина. Во включении может содержаться от 100 до 500 хламидий. Остановка процесса на этой стадии ведет к персистенции хламидийной инфекции. Далее начинается процесс созревания ретикулярных телец через переходные (промежуточные) тельца в течение 36-42 часа развития в ЭТ следующего поколения. Полный цикл репродукции хламидий равен 48-72 часам и завершается разрушением пораженной клетки, в случае возникновения для хламидий неблагоприятных метаболических условий этот процесс может затягиваться на более длительный период.

Рис. Жизненный цикл хламидий (рис. О.И. Немченко)

Хламидии могут высвобождаться из инфицированной клетки через узкий ободок цитоплазмы. При этом клетка может сохранять жизнеспособность, что объясняет бессимптомность течения хламидийной инфекции.

Микоплазмы – особая группа мелких, простоорганизованных, полиморфных, грамотрицательных микроорганизмов, отличающихся полным отсутствием клеточной стенки и минимальным набором генов, а их плазматическая мембрана содержит антигены, сходные с человеческими..

Можно полагать, что микоплазмы являются наиболее близкими потомками исходных прокариотных клеток.

Впервые с этой группой микроорганизмов встретился Пастер, изучая плевропневмонию крупнорогатого скота. Позднее эти микроорганизмы были выделены из других объектов внешней среды, из организма животных и человека. Их стали называть PPLO (pleuropneumoniae – lake organs)