Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиология: учебник для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 9. Диплококки.

Электронная микрофотография

(по: Р. С. Вильямс)

Рис. 10. Стрептококки. Электронная

микрофотография (по: Д. Кун,

П. Эдлеман)

ток. Форма клетки бактерии довольно проста, это может быть шар

или цилиндр, иногда изогнутый. Размножаются бактерии преиму-

щественно делением на две равноценные клетки. Бактерии шаро-

видной формы называют кокками (от лат. coccus — зерно). Кокки

бывают сферическими, эллипсоидальными, бобовидными и ланце-

товидными.

По расположению клеток относительно друг друга после деле-

ния кокки подразделяют на несколько форм. Те формы, которые

после деления клетки расходятся и располагаются поодиночке, на-

зывают монококками. Иногда кокки при делении образуют скопле-

ния, напоминающие виноградную гроздь. Подобные формы относят

к стафиллококкам. Кокки, остающиеся после деления в одной плос-

кости связанными попарно, называют диплококками (рис. 9), а обра-

зующие различной длины цепочки — стрептококками (рис. 10). Со-

четания из четырех кокков, появляющиеся после деления клетки

в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, представляют собой

тетракокки. Некоторые кокки делятся в трех взаимно перпендику-

лярных плоскостях, что приводит к образованию своеобразных

скоплений кубической формы, называемых сарцинами.

Большинство бактерий имеет цилиндрическую, или палочко-

видную, форму. Раньше все палочковидные формы назывались ба-

циллами (от лат. bacillum — маленькая палочка). После 1875 г., когда

немецкий ботаник Ф. Кон открыл существование спор

у так назы-

ваемой сенной палочки, палочковидные спорообразующие формы

стали именовать бациллами, а не образующие спор — бактериями.

Палочковидные бактерии различают по форме, размерам в дли-

ну и в поперечнике, форме концов клетки, а также по взаимному

расположению. Они могут иметь цилиндрическую форму с прямы-

ми концами или овальную — с закругленными или заостренными

Споры — особые покоящиеся клетки, окруженные плотными обо-

лочками, образующиеся внутри бактериальных клеток.

концами. Бактерии бывают также слегка изогнутыми, встречаются

нитевидные и ветвящиеся формы (микобактерии и актиномицеты).

В зависимости от взаимного расположения отдельных клеток

после деления палочковидные формы подразделяют на собственно

палочки (одиночное расположение клеток), диплобактерии или дипло-

бациллы (парное расположение клеток), стрептобактерии или стреп-

тобациллы (цепочки различной длины).

Нередко встречаются извитые, или спиралевидные, бактерии,

характеризующиеся разным числом витков. К этой группе относят

спириллы (от лат. spira — завиток), имеющие форму длинных изогну-

тых (от 4 до 6 витков) палочек, вибрионы (от лат. vibrio — изгиба-

юсь), представляющие собой лишь 1/4 часть витка спирали, похо-

жие на запятую; особую группу представляют спирохеты — длинные

и тонкие клетки с большим числом (от 6 до 15 и более) мелких вит-

ков (рис. 11). Кроме перечисленных выше основных, встречаются и

иные формы. Так, обнаружены бактерии, несущие на поверхности

Рис. 11. Извитые (спиральные) бактерии — спирохеты Spirochaeta plicatilis (A);

Cristispira sp. (Б); Treponema pallidum (В); Borellia anserina (Г), х 2200

(по:

Д. Кун)

клетки протоплазматические выросты — простеки, треугольные и

звездообразные бактерии, а также имеющие форму замкнутого и не-

замкнутого кольца и червеобразные бактерии (рис. 12).

Многие бактерии образуют разного вида скопления, агрегаты.

Известны и многоклеточные бактерии, чаще всего это нитчатые

формы, обитающие в водоемах. К многоклеточным бактериям отно-

сят и мицелиальные микроорганизмы — актиномицеты.

Размеры бактерий. Клетки бактерий очень малы. Их измеря-

ют в микрометрах (мкм), а детали тонкой структуры — в нанометрах

(нм). Кокки обычно имеют диаметр около 0,5—1,5 мкм. Ширина

палочковидных (цилиндрических) форм бактерий в большинстве

случаев колеблется от 0,5 до 1 мкм, длина — от 2 до 10. Мелкие па-

лочки обычно бывают шириной 0,2—0,4 мкм, длиной — 0,7—1,5.

Среди бактерий встречаются и настоящие гиганты, длина которых

достигает десятков и даже сотен микрометров.

Рис. 13. Некоторые характерные типы колоний бактерий рода Bacillus на поверхно-

сти твердой питательной среды

Рис. 12. Необычные формы микроорганизмов: Prostecomkrobium pneumaticum(A);

Anacalomicrobium adeum (Б) (по: Д. Стейли); В, Г— Thiodendron sp.

(по: X. Хиппе)

Формы и размеры бактери-

альных микроорганизмов значи-

тельно колеблются в зависимости

от возраста культуры, состава сре-

ды и ее осмотических свойств,

температуры и других факторов.

Из трех основных форм бактерий

кокки наиболее стабильны по раз-

мерам, палочковидные бактерии

несколько изменчивее, причем

особенно значительно меняется

длина клеток.

Бактериальная клетка, по-

мещенная на поверхности твердой

питательной среды, растет, делит-

ся, образуя колонию бактерий-по-

томков. Через несколько часов

роста колония состоит уже из та-

кого большого числа клеток, что

ее можно видеть невооруженным

глазом. Колонии бывают слизис-

той или пастообразной консистен-

ции, в некоторых случаях они

пигментированы. Иногда внеш-

ний вид колонии настолько харак-

терен, что позволяет без особых

трудностей идентифицировать

микроорганизм (рис. 13).

1.2. Ультраструктура

бактериальной клетки

Бактериальная клетка, не-

смотря на внешнюю простоту

строения, представляет собой до-

вольно сложный организм, кото-

рому свойственны процессы, ха-

рактерные для всего живого.

Ультраструктуру бактерий

удалось детально изучить после

создания электронного микроско-

па с высокой разрешающей спо-

собностью, разработки технологии

ультратонких срезов клеток, появ-

ления фазово-контрастной, конфокальной, лазерной и других мето-

дов микроскопии, усовершенствования методов микрохимических

Рис. 14. Схема строения бактериаль-

ной клетки (по: Г. Шлегель): вверху —

основные структуры бактериальной

клетки: в центре — мембранные струк-

туры (слева — фотосинтезирующего

микроорганизма, справа — нефото-

синтезирующего); внизу — резервные

вещества, или включения:

/ — базальное тельце; 2 — жгутики;

3 — капсула; 4 — клеточная стенка;

5 — цитоплазматическая мембрана;

6 — мезосома; 7 — фимбрии; 8 — по-

лисахаридные капсулы; 9 — гранулы

полифосфатов; 10 — липидные капли;

11 — включения серы; 12, 13 — мем-

бранные структуры: ламеллы, хромато-

форы; 14 — нулеоид; /5 — рибосомы;

16 — цитоплазма

анализов. Перечисленные методы позволили исследовать как по-

верхностные, так и внутренние структуры бактерий.

К внешним структурам бактериальной клетки обычно относят

капсулы, жгутики, фимбрии и пили, а также клеточную стенку, под

которой расположена цитоплазматическая мембрана. Внутреннее

содержание бактерий представлено цитоплазмой, в которой нахо-

дятся нуклеоид, рибосомы и мембранные структуры, а также разно-

образные включения (рис. 14). Бациллы и некоторые другие бакте-

рии образуют споры.

Капсулы. Клетки большинства бактерий окружены слизис-

тым слоем, расположенным поверх клеточной стенки, — капсулой

(рис. 15). Встречаются макрокапсулы с толщиной слоя 0,2 мкм, мик-

рокапсулы со слоем менее 0,2 мкм, а также слизистый слой и раство-

римая слизь.

По химическому составу капсулы большинства бактерий мож-

но разделить на два типа. Одни представлены полисахаридами, дру-

гие — полипептидами. Однако существуют и капсулы с высоким со-

держанием липидов, гетерополисахаридов и других веществ. Неко-

торые бактерии, например уксуснокислые (Acetobacter xylinum),

способны синтезировать своеобразную капсулу, состоящую из

аморфной массы молекул целлюлозы.

Капсулы содержат до 98% во-

ды, что составляет дополнительный

осмотический барьер, они также за-

щищают клетку от механических

повреждений и высыхания. Капсу-

лы служат защитой клетки от дей-

ствия токсических веществ и ради-

ации, для болезнетворных форм —

от защитных сил макроорганизма —

фагоцитов, других неблагоприят-

ных факторов окружающей среды.

Замечено, что бактерии,

имеющие капсулы, способны жить

в такой среде, в которой рост бак-

терий без капсул ограничен.

Жгутики. Существуют два ос-

новных типа подвижных бактерий:

скользящие и плавающие. Скольже-

ние наблюдается у миксобактерий,

серных бактерий, цианобактерий

и др. Эти организмы способны

скользить по твердой поверхности

в результате волнообразных сокра-

щений клетки.

Рис. 15. Капсулы Bacillus megaterium,

х2160 (по: С. Робиноу)

Плавающие палочковидные бактерии передвигаются при по-

мощи особых нитевидных структур — жгутиков. Так двигается

большинство спирил, энтеробактерий, псевдомонад. Кокки, за иск-

лючением отдельных видов, жгутиков не имеют.

Бактерию с одним жгутиком называют монотрихом; с пучком

жгутиков на одном конце клетки — лофотрихом; на обоих концах —

амфитрихом; со жгутиками, расположенными по всей поверхности

клетки, — перитрихом (рис. 16).

Таким образом, ясно, что число жгутиков неодинаково у раз-

ных видов бактерий. Например, спириллы {Spirillum) имеют от 5 до

30 жгутиков, вибрионы (Vibrio) — один или два-три жгутика на по-

люсе клетки. У палочковидных бактерий Proteus vulgaris и Clostridium

tetani насчитывается от 50 до 100 жгутиков. Толщина жгутиков

колеблется от 12 до 20 нм (более сложно устроенные жгутики имеют

толщину до 35 нм), длина — от 10 до 20 мкм. У некоторых спирилл

жгутики могут достигать в длину 70 мкм и более, причем длина мо-

жет меняться в зависимости от состояния культуры и факторов

внешней среды.

Жгутики хорошо видны в электронный микроскоп, для на-

блюдения через оптический микроскоп требуется их специальная об-

работка. Считают, что жгутики не относятся к жизненно важным

структурам бактериальной клетки. Например, виды бактерий, для ко-

торых характерны жгутики, можно вырастить в условиях, при кото-

рых эти структуры не развиваются. У некоторых подвижных бактерий

наблюдаются «фазовые вариации», т. е. в течение одной фазы цикла

развития бактерии жгутики имеются, в другой — отсутствуют. Жгути-

ки даже можно разрушить, а клетка останется жизнеспособной.

В строении жгутика можно выделить нить, крюк и базальное

тельце, расположенное под цитоплазматической мембраной. Жгути-

ковая нить волнообразно изогнута и состоит из белка флагеллина.

Белковые молекулы жгутиков собраны в спиральные цепи, закруг-

ленные вокруг полой сердцевины. Крюк жгутика представляет со-

бой изогнутый белковый цилиндр. Он служит связующим звеном

между жесткой нитью и базальным телом, соединяясь с палочкой,

или осью, входящей в состав базального тельца. Последняя состоит

из двух или четырех колец, встроенных в клеточную стенку и цито-

плазматическую мембрану бактерии, цилиндра и палочки-оси, на

которой крепятся кольца и основание крюка.

Жесткая спираль нити жгутика вращается в результате работы

базального тела, представляющего собой своеобразный электромо-

тор. Считают, что вращение жгутика определяется кольцом, распо-

ложенным в цитоплазматической мембране, в то время как другие

кольца базального тела неподвижны и служат для крепления в кле-

точной стенке палочки-оси, через которую вращение кольца пере-

дается на крюк, а затем на нить жгутика.

Рис. 16. Бактерии с разными типами жгутикования.

Электронная микрофотография

Энергетика вращения жгутика обеспечивается трансмембран-

ной протондвижущей силой Д цН

в соответствии с механизмом,

описанным в главе «Питание микроорганизмов». Предполагают, что

на один оборот мотора расходуется энергия переноса примерно 10

протонов. Основание жгутика, вероятно, вращается так, что послед-

ний как бы ввинчивается в среду, не совершая беспорядочных бие-

ний, и таким образом продвигает клетку вперед.

Скорость передвижения бактериальных клеток со жгутиками

зависит от особенностей аппарата движения и свойств среды — ее

вязкости, температуры, рН, осмотического давления и др. Большин-

ство бактерий за 1 с проходит расстояние, равное размерам их клет-

ки. Однако некоторые виды при благоприятных условиях за то же вре-

мя могут пройти расстояние, превышающее размеры клетки в 50 раз

и более.

Все подвижные бактерии передвигаются в направлении, кото-

рое определяется теми или иными внешними воздействиями. Дви-

жение, ориентированное относительно направления действия какого-

либо фактора, носит название таксиса. В зависимости от приро-

ды внешнего фактора, под воздействием которого происходит дви-

жение, различают хемотаксис, аэротаксис, фототаксис, термотаксис,

магнетотаксис и вискозитаксис.

Хемотаксис — это движение бактерий в определенном направ-

лении относительно того или иного источника химического соеди-

нения — эффектора. Бактерии определяют наличие разницы в кон-

центрации эффектора в пространстве и во времени. Химические со-

единения для каждой бактерии можно подразделить на вещества, не

вызывающие таксисов, и на эффекторы — аттрактанты и репеллен-

ты. Аттрактанты — соединения, привлекающие организмы, ре-

пелленты — вещества, их отпугивающие. Аттрактанты большей

частью представлены пищевыми субстратами, а репелленты — ядо-

витыми соединениями.

Аэротаксис связан с разницей содержания в среде кислорода,

а термотаксис — с разницей температур. При фототаксисе условием

направленного движения бактерий служит различие в интенсивнос-

ти освещения. Фототаксис обнаруживается прежде всего у фото-

трофных бактерий.

Магнетотаксис — это способность бактерий двигаться по си-

ловым линиям магнитного поля Земли. В клетках этих организмов

имеются включения магнетита, выполняющие функцию магнитной

стрелки. Если в Северном полушарии магнетобактерии плывут в на-

правлении Северного полюса, то в Южном — в направлении Юж-

ного. Вискозитаксис — это реакция бактерий на изменение вязкости

раствора: они способны плыть в направлении ее увеличения или

снижения. Считают, что таксисы можно рассматривать как элемен-

тарную форму поведения бактерий.

Фимбрии и пили. Кроме жгутиков, клетки бактерий могут

иметь длинные, тонкие и прямые нити — фимбрии. Фимбрии зна-

чительно короче и тоньше жгутиков, но более многочисленны. Об-

наружены они как у подвижных, так и у неподвижных организмов.

Длина фимбрии составляет 1,5 мкм, диаметр — 7 нм. На одну бакте-

риальную клетку обычно приходится 50—400 фимбрии. Они распо-

лагаются по всей поверхности клетки и состоят из белка — пилина.

Известно уже несколько типов фимбрии, которые различают-

ся функциями. Наиболее изучены функции фимбрии первого и вто-

рого типов. Фимбрии первого типа характерны для многих бак-

терий, в связи с чем их называют фимбриями общего типа.

Наличие фимбрии первого типа помогает бактериальной клетке

прилипать к клеткам живых организмов (эритроцитам и другим

клеткам животных и человека, к клеткам растений и грибов) и не-

органическим субстратам или способствует образованию пленок на

поверхности жидкостей, в которых протекает жизнедеятельность

бактерий. Считают, что фимбрии данного типа служат органами

прикрепления (рис. 17).

Большой интерес представляют фимбрии второго типа,

так называемые половые фимбрии, или F-пили, имеющие

внутри канал, через который передается генетический материал от

одной клетки к другой при конъюгации бактерий. Половые пили

представляют собой белковые цилиндры толщиной 8,5—9,5 нм и

длиной до 1,1 мкм. Полагают, чтоF-пили обеспечивают контакт

между двумя клетками и служат конъюгационной трубкой, по кото-

рой происходит передача ДНК. Через пили в клетки бактерий могут

проникать вирусы (фаги). Фимбрии не считают обязательной струк-

Рис. 17. Клетка Escherichia coli, окруженная фимбриями.

Электронная микрофотография

турой бактериальной клетки, так как без них бактерии могут нор-

мально расти и размножаться.

На поверхности клеток некоторых бактерий, близких к псев-

домонадам, обнаружены своеобразные структуры, так называемые

шипы. Они представляют собой полые цилиндры длиной 1—3 мкм и

толщиной около 65 нм. Шипы состоят из белка спинина. Бактерии

с шипами обычно неподвижны. Считают, что образование шипов спо-

собствует лучшему выживанию бактерий в естественной среде обита-

ния. У ряда метилобактерий обнаружены трубчатые выросты, число

которых может достигать 300—350. Диаметр трубочек около 40 нм,

длина до 0,3 мкм. Основание трубочки связано с клеточной стенкой

бактерии, но под трубочкой имеется канал, который достигает цито-

плазматической мембраны. Значение трубчатых выростов для жизне-

деятельности бактерий остается пока не выясненным.

Клеточная стенка — один из главных элементов структуры

бактериальной клетки. Клеточная стенка обладает определенной ри-

гидностью, т. е. жесткостью, и вместе с тем эластичностью — может

изгибаться. Ее можно разрушить ультразвуком, ферментом лизоци-

мом и другими способами. В случае разрушения клеточной стенки

содержание клетки — цитоплазма с включениями, окруженная ци-

топлазматической мембраной, — приобретает шаровидную форму.

Такую округлившуюся клетку, образовавшуюся после удаления кле-

точной стенки у бактерии, называют протопластом, а если оболочка

разрушена не полностью — сферопластом. Отсюда следует, что стен-

ка придает бактериальной клетке определенную форму.

Клеточная стенка имеет и другие функции. Она защищает

внутреннее содержимое клетки от действия механических и осмоти-

ческих сил внешней среды, ей принадлежит важная роль в регуля-

ции роста и деления бактерий, распределении генетического мате-

риала.

Толщина клеточной стенки колеблется от 20 до 100 нм и бо-

лее и составляет около 20% сухого вещества бактериальной клетки.

Клеточная стенка относительно проницаема для крупных молекул.

Она связана с цитоплазматической мембраной соединительными

тяжами — «мостиками».

Считают, что клеточная стенка ответственна за окрашивание

бактерий по Граму

, так как способность или, наоборот, неспособ-

Так называется способ окраски, разработанный датским ученым

X. Грамом в 1884 г., позволяющий дифференцировать бактерии. После окра-

ски генцианвиолетом и обработки раствором иода клетки одних видов бак-

терий обесцвечиваются спиртом, других — остаются окрашенными в си-

не-фиолетовый цвет. По данному признаку бактерии разделяют на окраши-

вающиеся по Граму — грамположительные и не окрашивающиеся —

грамотрицательные.

ность окрашиваться по Граму связана с различием в химическом со-

ставе клеточных стенок бактерий.

Главным структурным компонентом клеточных стенок боль-

шинства исследованных бактерий служит пептидогликан, или муре-,

ин, представляющий собой гетерополимер, который построен из че-

редующихся остатков N-ацетил-N-глюкозамина и N-ацетилмурамо-

вой кислоты (3-О-лактил-N-ацетил-N-глюкозамин), соединенных

β-1,4-связями, и небольшой группы аминокислот: L-аланина, D-ала-

нина, D-глутаминовой кислоты, а также лизина или диаминопиме-

линовой кислоты.

Молекула пептидогликана представляет собой правильную

сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, соеди-

ненных друг с другом короткими цепями пептидов. Пептидогликан

обладает прочностью и упругостью, при растворении других компо-

нентов клетки он сохраняет форму, образуя своеобразный пептидо-

гликановый, или муреиновый, мешочек, или саккулу, которая со-

стоит из сетки муреиновых молекул.

Пептидогликан придает клеточной стенке ригидные свойства,

благодаря чему бактериальная клетка способна сохранять форму.

У грамположительных бактерий клеточная стенка состоит главным

образом из многослойного пептидогликана, с которым соединены

вторичные полимеры — тейхоевые кислоты (полимеры, образован-

ные остатками спирта рибита или глицерина, связанными фосфоди-

эфирными мостиками) и тейхуроновые кислоты, образованные ос-

татками уроновых кислот и N-ацетилглюкозамина.

Большинство грамположительных бактерий имеет в составе

клеточной стенки дополнительные структуры, образованные поли-

сахаридами, белками или гликопротеидами, участвующими в защи-

те клетки от внешних воздействий. У грамположительных бактерий

пептидогликан обычно составляет 40—60% сухой массы клеточной

стенки, у некоторых видов — 80—90%. Обычная для многих бакте-

2. Микробиология

рий толщина клеточной стенки в 30—40 нм соответствует толщине

приблизительно 40 молекул пептидогликана.

Отличительная особенность клеточной стенки грамотрица-

тельных бактерий — наличие так называемой наружной мембраны.

Наружная мембрана состоит из фосфолипидов, липополисахарида

(ЛПС), липопротеина (ЛП) и белков. Под наружной мембраной

расположена периплазма, или периплазматическое пространство.

Периплазма содержит один слой пептидогликана и раствор, в состав

которого входят специфичные для нее белки и олигосахариды, а так-

же неорганические соединения. Пептидогликан грамотрицательных

бактерий составляет около 10% массы клеточной стенки. Толщина

слоя пептидогликана обычно не превышает 1,6—3 нм, а поскольку

толщина мономолекулярного слоя пептидогликана около 1 нм, сле-

дует предположить, что пептидогликан в периплазме образует не-

сколько слоев.

Таким образом, неодинаковое отношение бактерий к окраске

по Граму может быть объяснено различием в количестве пептидо-

гликана и его локализацией в клеточной стенке.

Клеточной стенки нет у микоплазм, а также у L-форм бакте-

рий. Обычно как L-формы обозначают бактерий, способных к нор-

мальному развитию при отсутствии клеточной стенки. Наименова-

ние «L-формы» (от названия Листеровского института в Велико-

британии, где были впервые изучены) получили бактерии,

полностью или частично лишенные клеточной стенки. Переход бак-

терий в L-форму осуществляется под действием различных факторов

(антибиотиков, например пенициллина, или спонтанно, без видимой

причины), нарушающих структуру и синтез клеточной стенки.

В культуре L-формы можно обнаружить клетки размером

0,2—50 мкм. В связи с отсутствием клеточной стенки у L-форм

нет определенной формы и не функционируют нормальные меха-

низмы клеточного деления. Поэтому в колониях этих организмов

обычно обнаруживают так называемые элементарные тела размером

0,2—1 мкм, шаровидные тела размером 1—5 мкм, большие тела раз-

мером 5—50 мкм, нитевидные структуры различного диаметра, а так-

же бесструктурные массы, в которых границы отдельных клеток не

видны. Считают, что образование L-форм происходит не только в

лабораторных, но и в природных условиях, причем к образованию

L-форм способны многие бактерии — как патогенные, так и сап-

ротрофные.

Интересно отметить, что, хотя бактерии в L-форме менее ак-

тивны, чем в нормальном состоянии, они совершенно нечув-

ствительны к факторам, влияющим на клеточную стенку, в частнос-

ти устойчивы к целому ряду антибиотиков. По-видимому, переход в

L-форму необходимо рассматривать как способ переживания бакте-

риями неблагоприятных условий.

Цитоплазматическая мембрана. К клеточной стенке бакте-

риальной клетки тесно прилегает внешний слой цитоплазмы — ци-

топлазматическая мембрана. Цитоплазматическая мембрана бакте-

рий служит главным барьером между цитоплазмой клетки и окру-

жающей внешней средой. При разрушении цитоплазматической

мембраны бактериальная клетка погибает. В основе цитоплазмати-

ческой мембраны лежит бислой липидов. Липиды составляют 15—

50% сухой массы цитоплазматической мембраны. Основная масса

мембранных липидов (70—90%) бактерий представлена фосфолипи-

дами. Около 50% поверхности цитоплазматической мембраны со-

ставляют мембранные белки. Они полностью или частично погру-

жены в липидный бислой, некоторые белки располагаются на его

поверхности.

Общая толщина мембраны составляет приблизительно 7—8 нм.

По структуре и функциям цитоплазматические мембраны бактерий

в целом сходны с мембранами эукариотных клеток. Цитоплазмати-

ческая мембрана играет роль осмотического барьера, контролирую-

щего транспорт веществ в бактериальную клетку и из нее. Нередко

мембрана дает внутрицитоплазматические впячивания (инвагина-

ции), приводящие к образованию особых структур — мезосом, или

нуклеоидосом.

Мезосомы — это мембранные системы, состоящие из трубочек,

пузырьков и пластинок. Наиболее обычный тип мезосом — мемб-

ранные кольцевые впячивания цитоплазматической мембраны, рас-

положенные в зоне образования клеточной перегородки в клетках

бактерий при делении.

Во время клеточного деления мезосома связывается с ДНК,

что, по-видимому, облегчает разделение двух дочерних молекул

ДНК после репликации и обусловливает образование перегородки

между дочерними клетками.

Считают, что цитоплазматическая мембрана и мезосомы вы-

полняют функции, свойственные мембранным структурам, в том

числе митохондриям высших организмов, в которых или на которых

локализованы ферментные системы — поставщики энергии. В отли-

чие от митохондрий в цитоплазматической мембране и мезосомах

бактерий наряду с дыхательными системами ферментов и механиз-

мом регуляции проницаемости располагаются специфичные фер-

ментные системы, участвующие в таких процессах, как азотфикса-

ция и хемосинтез.

С цитоплазматической мембраной, мезосомами и близкими

им структурами бактерий связаны и многие другие функции — био-

синтез клеточной стенки и капсулы, выделение экзоферментов, де-

ление и спорообразование и т. д.

Цитоплазма. Под цитоплазматической мембраной у бактерий

находится цитоплазма. Это коллоидная система, состоящая из воды,

белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других ве-

ществ, соотношение которых варьирует в зависимости от вида бак-

терий и их возраста. Цитоплазма бактерий содержит различные

структурные элементы — внутрицитоплазматические мембраны, ге-

нетический аппарат, рибосомы и включения; остальная часть ее

представлена цитозолем.

Цитозоль — это фракция цитоплазмы, которая имеет гомоген-

ную консистенцию и состоит главным образом из белковых макро-

молекул (растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и суб-

стратов различных реакций). Цитозоль служит поддерживающей

средой для клеточных гранул. По структуре цитоплазма мелкограну-

лярная, состоит из цитоплазматических гранул диаметром 10—20 нм.

В цитоплазме находятся рибосомы — частицы, состоящие из РНК

(60%) и белка (40%) и имеющие форму круглых или несколько уд-

линенных структур диаметром около 20 нм.

Каждая бактерия содержит от нескольких тысяч до десятков

тысяч этих центров синтеза белков. Число рибосом в клетке меняет-

ся в зависимости от скорости роста бактерии — чем быстрее рост,

тем больше рибосом в клетке. Значительная часть рибосом связана

с цитоплазматической мембраной, остальные свободно распределя-

ются в цитоплазме.

Рибосомы совместно с молекулами РНК и ДНК участвуют в

синтезе белка не как изолированные частицы, а в виде агрегатов,

называемых полирибосомами, или полисомами.

В клетках цианобактерий присутствуют так называемые тила-

коиды — внутриклеточные мембранные фотосинтезирующие струк-

туры, содержащие хлорофилл и каротиноиды, при помощи которых

осуществляется фотосинтез. Особые светособирающие пигменты —

фикобилины, находятся в специальных структурах, фикобилисомах,

располагающихся на поверхности тилакоидов. У пурпурных серо-

бактерий фотосинтезирующие пигменты (бактериохлорофилл и ка-

ротиноиды) локализованы в хроматофорах, составляющих от 40 до

50% массы клетки.

Мембранные структуры хроматофора имеют вид трубочек и пу-

зырьков диаметром 20—100 нм. Трубочки и пузырьки образуют в клет-

ке сложную мембранную сеть и на многих участках сохраняют связь

с цитоплазматической мембраной. У зеленых бактерий светособи-

рающие пигменты, участвующие в фотосинтезе, содержатся в осо-

бых структурах,называемых хлоросомами.

У большинства нитрифицирующих и метаноокисляющих бак-

терий имеются сильно развитые системы внутриклеточных мембран.

Характер строения этих структур и их расположение в клетке не-

одинаковы у разных видов нитрифицирующих бактерий: стопки ла-

мелл (пластинок) могут быть расположены параллельно клеточной

стенке, в центре клетки или у одного из полюсов.

У метаноокисляющих бактерий обнаруживаются как диско-

видные стопки мембран, распределенные по всей цитоплазме, так и

пластинчатые образования, расположенные параллельно клеточной

стенке. Предполагают, что мощно развитая внутриклеточная сеть

мембранных структур связана с использованием указанными бакте-

риями газообразных соединений: увеличение активной поверхности

мембран обусловливает повышение локальной концентрации газов,

при этом происходит пространственное сближение их с молекуляр-

ным кислородом и ферментами, участвующими в окислительных

процессах.

Включения. В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся

гранулы различной формы и размеров. Их присутствие нельзя рас-

сматривать как постоянный признак микроорганизма, обычно они в

значительной степени связаны с физическими и химическими усло-

виями среды обитания. Разнообразные включения не являются

структурами, абсолютно необходимыми для жизнедеятельности бак-

терий, и могут присутствовать в клетках или отсутствовать. Природа

и функции включений существенно различаются. Некоторые из

включений окружены белковой мембраной.

Примером подобных включений служат газовые вакуоли —

аэросомы. Они образованы скоплениями газовых пузырьков, запол-

ненных газом, состав которого соответствует таковому окружающей

среды. Газовые вакуоли встречаются у разных групп бактерий, в ос-

новном у водных видов. Функция газовых вакуолей заключается в

обеспечении плавучести водных бактерий, регулирующих при помо-

щи аэросом глубину погружения, выбирая оптимальные условия су-

ществования. Перемещение по направлению к верхним или ниж-

ним слоям воды происходит в результате увеличения или уменьше-

ния (сжатия) пузырьков.

К включениям относят внутрицитоплазматические гранулы

запасных веществ, образованные соединениями, служащими для

микроорганизмов источниками энергии и углерода. Такие соедине-

ния обычно образуются, когда микроорганизм получает достаточное

количество питательных веществ, и используются, когда он попада-

ет в неблагоприятные в отношении питания условия. Как резервные

в клетках бактерий могут накапливаться питательные вещества, со-

стоящие из полисахаридов — гранулы гликогена или гранулезы (близ-

кого к амилопектину полисахарида). При недостаточном поступле-

нии углеродсодержащих веществ в питательную среду гранулы гли-

когена или гранулезы постепенно исчезают из клеток бактерий.

Существуют бактерии, запасающие одно вещество, два или

целый ряд соединений. Природа запасаемого субстрата определяет-

ся видом бактерий и условиями их культивирования. Обычно на-

копление полисахаридных гранул стимулируется недостатком азота

при избытке углеводов.

Многие бактерии в качестве резервного вещества синтезиру-

ют поли-B-гидроксимасляную кислоту (ПОМ) (полиэфир-B-оксимас-

ляной кислоты). В клетках бактерий ПОМ локализована в округ-

лых, иногда продолговатых, гранулах различного размера, окружен-

ных белковой мембраной. Если поместить клетки, содержащие

ПОМ, в среду без источников углерода и энергии, они начинают

энергично использовать ПОМ. Бактерии, богатые ПОМ, в таких ус-

ловиях дольше сохраняют жизнеспособность, чем клетки, лишен-

ные данного вещества.

У некоторых видов бактерий в клетках накапливаются грану-

лы жира и волютина. Волютиновые гранулы, называемые еще ме-

тахроматическими гранулами, состоят преимущественно из поли-

фосфатов и служат местом запасания фосфора. В то же время поли-

фосфаты имеют макроэргические связи и служат в качестве депо

энергии. Волютин представлен в крупных, хорошо видимых грану-

лах, образующихся в больших количествах на средах, богатых глице-

рином или углеводами.

В клетках серных бактерий встречаются включения серы, ко-

торая образуется в результате окисления сероводорода. Ее можно

обнаружить непосредственно в цитоплазме в виде блестящих полу-

жидких капелек. Включения серы для аэробных тионовых бактерий,

окисляющих сероводород, служат источником энергии. Некоторые

серные бактерии наряду с капельками серы откладывают в клетках

зернышки аморфного карбоната кальция, роль которого пока не

выяснена.

В клетках цианобактерий, ряда других фототрофных и хемоли-

тоавтотрофных бактерий обнаружены ромбовидные или шестигран-

ные включения, названные карбоксисомами, или полиэдральными

телами. Данные структуры состоят в основном из молекул D-рибу-

лозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы — главного фермента, катализирую-

щего фиксацию углекислоты. Предполагают, что в этих структурах

осуществляется процесс связывания СО

. Обнаружены и другие

включения в клетках бактерий — это рапидосомы, R-тела, магнито-

сомы. Последние присутствуют в клетках бактерий, обладающих

магнитотаксисом, т. е. перемещающихся вдоль линий магнитного

поля. Магнитосомы — структуры, представляющие собой частицы

, окруженные белковой мембраной. В клетках бактерий магни-

тосомы могут существенно различаться по форме, числу и характеру

распределения.

В цитоплазматическом матриксе содержатся также раствори-

мые белки, различные ферменты, РНК, пигменты и низкомолеку-

лярные соединения — углеводы, аминокислоты и нуклеотиды. На-

личие в цитоплазме низкомолекулярных соединений обусловливает

разность в осмотическом давлении клеточного содержимого и внеш-

пей среды. Величина внутриклеточного осмотического давления зна-

чительно варьирует у разных микроорганизмов.

Нуклеоид. В цитоплазме бактериальных клеток расположена

структура, эквивалентная ядру и называемая нуклеоидом (рис. 18).

Нуклеоиды бактерий содержат ДНК, молекулярная масса которой

колеблется от 0,45 . 10

у микоплазм до 2,9. 10

у спорообразующих

бактерий и энтеробактерий, что значительно меньше молекулярной

массы ДНК эукариот. Установлено, что бактериальная ДНК по фор-

ме представляет собой свернутую в кольцо нить длиной 1,1—1,6 мм,

называемую также бактериальной хромосомой.

В покоящейся бактериальной клетке обычно содержится один

нуклеоид; клетки, находящиеся в фазе, предшествующей делению,

имеют два нуклеоида; в фазе логарифмического роста — размно-

жения — до четырех и более.

Количество ДНК в клетке кишечной палочки определяется

скоростью роста — обычно у быстрорастущих клеток на хромосоме

видно несколько репликационных вилок; клетки могут содержать и

несколько нуклеоидов. У ряда бактерий в клетке может быть не од-

на, а много хромосом. Например, вегетативные клетки Bacillus subti-

lis имеют от двух до девяти хромосом и соответственно несколько

нуклеоидов. Для многих цианобактерий характерны множественные

хромосомы. Содержание ДНК у бактерий определяется в значитель-

ной мере размерами клетки — чем больше клетка, тем больше ДНК.

ДНК бактерий и объединенные с ней системы репликации,

репарации, транскрипции и трансляции не отделены от остальной

части клетки мембраной, так как у прокариот отсутствует ядерная

оболочка. Однако у большинства бактерий выявляется четко отде-

ленная от цитоплазмы центральная ядерная зона, где расположены

нуклеоид или нуклеоплазма. По имеющимся наблюдениям, у грам-

положительных бактерий нуклеоид более компактен и занимает от-

Рис. 18. Ядерные структуры бактерий: А — Bacillus cereus,

Б, В — Micrococcus radiodurans, штамм «Sark» (по: С. Робиноу)

носительно меньшую часть объема клетки, чем у грамотрицатель-

ных. Нуклеоид связан с мембраной (число точек связи может дости-

гать 20 и более), у грамположительных бактерий — с мезосомой

(нуклеоидосомой).

Нуклеоид бактерий — основной носитель информации о свой-

ствах клетки и основной фактор передачи этих свойств потомству.

Кроме нуклеоида, в цитоплазме бактериальной клетки могут нахо-

диться в сотни раз более короткие кольцевые нити ДНК — так на-

зываемые внехромосомные факторы наследственности, получив-

шие название плазмиды. Как выяснено, плазмиды не всегда имеются

у бактерий. Однако их присутствие обеспечивает дополнительные,

полезные для организма свойства, в частности связанные с размно-

жением, устойчивостью к лекарственным препаратам, болезнетвор-

ностью и др.

1.3. Споры и спорообразование

Бактерии родов Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacil-

lus, Sporosarcina и некоторых других (всего описано более 15 родов

спорообразующих бактерий) способны образовывать споры, или эн-

доспоры, — внутриклеточные тельца сферической или эллиптиче-

ской формы (рис. 19). Споры преломляют свет и четко видны в све-

товом микроскопе. Как правило, внутри бактериальной клетки об-

разуется только одна спора. Однако у отдельных видов Clostridium и

других родов бактерий обнаружены клетки с двумя и более спорами.

Рис. 19. Ультратонкий срез клетки Clostridim butyricum со спорой.

Электронная микрофотография (по: В. Т. Емцев, В. И. Дуда и Ш. И. Шелли)

40.

Выделена бактерия Anaerobacter polyendosporus, клетки которой со-

держат от двух до пяти эндоспор.

При формировании спор увеличения числа организмов не

происходит, поэтому спорообразование нельзя считать способом

размножения бактерий. Обычно споры появляются, когда бактерии

испытывают недостаток питательных веществ или в среде их обита-

ния в большом количестве накапливаются продукты обмена ве-

ществ. Споры представляют собой стадию покоя и приспособлены

для выживания в неблагоприятных условиях среды.

Процесс спорообразования. Его можно подразделить на

шесть-семь последовательных стадий. Первая стадия характери-

зуется репликацией ДНК с образованием двух и более нуклеоидов,

которые локализуются в виде осевого тяжа вдоль бактериальной

клетки.

На второй стадии происходит отделение одной хромосомы

от осевого тяжа ДНК и перемещение ее к полюсу клетки. Впослед-

ствии меньшая часть цитоплазмы с заключенной в нее хромосомой

отделяется от остальной цитоплазмы цитоплазматической мембра-

ной, которая врастает так же, как при клеточном делении. В итоге

возникают две, разделенные мембраной, неравные (большая, «мате-

ринская», и малая) клетки. Клеточная стенка бактерии в этом деле-

нии участия не принимает. В промежутке между второй и третьей

стадией происходит «обрастание» малой клетки с хромосомой цито-

плазматической мембраной большой клетки. В результате образует-

ся округлая проспора, окруженная двумя мембранами.

Третья стадия характеризуется отделением проспоры от мем-

браны большой клетки. Проспора окружена со всех сторон цито-

плазмой и как бы свободно в ней плавает, она может оставаться у по-

люса бактериальной клетки либо, как у некоторых видов, перехо-

дить к центру. Во время прохождения третьей стадии в проспору

поступают из материнской клетки ряд аминокислот, дипиколиновая

кислота (ДПК) и ионы Са

. Затем внутри проспоры образуется

комплекс Са с дипиколиновой кислотой.

На четвертой стадии между двумя мембранами проспоры

образуется толстый слой коры, или кортекса, состоящего из прочно

соединенных молекул пептидогликана. Обычно синтез кортекса

продолжается до самого созревания споры. Во время этой стадии

наблюдается усиление способности проспоры к светопреломлению,

что, по-видимому, связано с ее обогащением комплексом ДПК-Са.

Пятая стадия характеризуется формированием к периферии

от наружной мембраны проспоры споровых покровов, состоящих из

нескольких слоев, главным образом белков с высоким содержанием

цистеина и гидрофобных аминокислот. У некоторых бактерий (ро-

ды Bacillus, Clostridium) поверх покровов споры формируется еще

одна структура — экзоспориум, часто состоящий из многих слоев