Протченко П.З. Загальна мікробіологія, вірусологія та імунологія

Подождите немного. Документ загружается.

середовищем, захист від несприятливих зовнішніх впливів,

здатність до адсорбції вірусів бактерій, участь в реакціях імуні-

тету.

Основним компонентом клітинної стінки бактерій є пептидо-

глікан, або муреїн (лат. mureus — стінка). Скелет пептидогліка-

ну складається з паралельно розміщених молекул глікану (амі-

носахаридів), які складаються із залишків N-ацетилглюкозамі-

ну і N-ацетилмурамової кислоти, зв’язаних між собою глюко-

зидними зв’язками (рис. 2.6). Гліканові молекули зв’язані бічни-

ми і поперечними пептидними містками, звідси і назва полімеру

— пептидоглікан. Бічні ланцюжки представлені тетрапептида-

ми, поперечні — пентапептидами. Склад пептидних ланцюжків

ідентичний для певного пептидоглікану, але у різних видів бак-

терій вони різні. У складі цих ланцюжків виявлено лише 4 із по-

ширених амінокислот: глутамінова кислота, лізин, аланін і

гліцин. Також до складу пептидоглікану входять унікальні амі-

нокислоти: мезодіамінопімелінова, виявлена тільки у прокаріот,

D-ізомери глутамінової кислоти та аланіну.

Отже, за компонентами і структурою клітинної стінки бак-

терії докорінно відрізняються від тварин і рослин. Тому лікарські

препарати, які специфічно впливають тільки на бактеріальні

стінки і процес їхнього синтезу, мають бути нешкідливими для

вищих організмів.

Завдяки поперечним зв’язкам пептидоглікан набуває струк-

тури молекулярної сітки, утворюючи величезного розміру ригід-

ну мішкоподібну макромолекулу, навколишню бактеріальну

N-ацетилглюкозамін

N-ацетилмура-

мова кислота

Пептидний

ланцюжок

Пентаглі-

циновий

місток

Рис. 2.6. Схема

загальної структу-

ри пептидоглікану

(муреїну)

клітину. Міцність клітинної стінки значна, витримує колосаль-

ний осмотичний тиск (у кишкової палички — близько 15 атм).

Клітинна стінка інертна до дії хімічних речовин, має низьку сприй-

нятливість до барвників. Її можна виявити при спеціальному за-

барвленні, електронній мікроскопії, а також у темному полі зору,

після плазмолізу.

Це явище полягає в такому. Якщо вмістити бактеріальні кліти-

ни у гіпертонічний розчин, то за рахунок виходу води цитоплаз-

ма стиснеться і разом із цитоплазматичною мембраною від-

ділиться від клітинної стінки. Внаслідок плазмолізу клітини ги-

нуть. Це використовується для консервування харчових про-

дуктів за допомогою концентрованих розчинів кухонної солі або

цукру. Однак деякі бактерії стійкі до плазмолізу, наприклад,

Staphylococcus aureus, що може призвести до харчових отруєнь.

Оскільки склад і будова клітинної стінки є одними з найваж-

ливіших диференціальних ознак бактерій, необхідно на цьому

детальніше зупинитися. Бактерії, що мають клітинну стінку, за-

лежно від її структури поділяються на фірмікути (товстошкірі) і

грацилікути (тонкошкірі). Інакше їх можна ще поділити на грам-

позитивні і грамнегативні — за здатністю забарвлюватися за

методом Грама.

Клітинна стінка грампозитивних бактерій має однорідну струк-

туру (рис. 2.7). Її товщина значно більша, ніж у грамнегативних

бактерій (20–60 нм). Основна маса стінки — це пептидоглікан,

на його частку припадає до 90 % сухої маси клітинної стінки. Він

може складатися з 5–40 шарів, а не 1–2, як у грамнегативних

бактерій. На відміну від грамнегативних бактерій, у складі клітин-

ної стінки грампозитивних бактерій містяться тейхоєві кислоти

(грец. teichos — стінка) — розчинні у воді лінійні полімери із

залишків гліцерину або рибітолу. Тейхоєві кислоти є основними

поверхневими антигенами багатьох грампозитивних бактерій,

вони виступають назовні через пори пептидоглікану.

Клітинна стінка грамнегативних бактерій (рис 2.8) значно тон-

ша (14–18 нм), здебільшого наявний один (рідко — два) шар пеп-

тидоглікану, це не більше 10 % сухої маси клітинної стінки. Для

пептидоглікану грамнегативних бактерій характерний низький

вміст поперечних зв’язок. У клітинній стінці відсутні тейхоєві

кислоти, міститься багато ліпопротеїдів, фосфоліпідів,ліпополі-

сахаридів, більше білка.

Клітинна стінка грамнегативних бактерій має більш складну

внутрішню структуру, ніж у грампозитивних. На цитоплазма-

тичній мембрані міститься од-

ношаровий муреїновий мішок,

до якого щільно прилягає зовні-

шня мембрана, зв’язана з муреї-

новим шаром ліпопротеїнами.

Ліпопротеїни орієнтовані свої-

ми ліпофільними кінцями на-

зовні і закріплені в ліпофільно-

му подвійному шарі зовнішньої

мембрани. Подвійний ліпідний

шар зовнішньої мембрани скла-

дається з ліпіду А, полісаха-

ридів і фосфоліпідів. У цьому

шарі знаходяться гідрофобні

кінці ліпополісахаридів, гід-

рофільні кінці яких обернені

назовні. Полісахаридна части-

на ліпополісахаридів має анти-

генні властивості і є О-антиге-

ном грамнегативних бактерій.

О-антиген має дуже велике зна-

чення в діагностиці й ідентифі-

кації бактерій. Ліпополісаха-

рид більшості бактерій токсич-

ний, він є ендотоксином, от-

руйність якого визначається

ліпідом А зовнішньої мембра-

ни.

У подвійний ліпідний шар

зовнішньої мембрани вбудовані

білки, що пронизують його

Тейхоєва кислота

Ліпотей-

хоєва

кислота

Клітинна стінка

Цитоплазматична

мембрана

Рис. 2.7. Модель структури

клітинної стінки грампозитив-

них бактерій (за M. Schaecter,

1993)

наскрізь. Ці трансмембранні білки являють собою заповнені во-

дою канали — гідрофільні пори в ліпофільній мембрані (пори-

ни). Вони пропускають через мембрану гідрофільні низькомоле-

кулярні речовини з молекулярною масою менше 6000 Д.

Муреїновий шар, мабуть, є легко проникним для багатьох ре-

човин. Проміжок між муреїном і цитоплазматичною мембраною

називають периплазматичним простором. У ньому містяться біл-

ки, в тому числі й деполімерази, периферичні білки цитоплазма-

тичної мембрани і так звані зв’язувальні білки, які беруть участь

у переносі деяких речовин у цитоплазму.

При обробці грампозитивних бактерій ферментами, що руй-

нують пептидоглікан (наприклад, лізоцимом), виникають прото-

пласти, тобто структури, повністю позбавлені клітинної стінки.

Незалежно від форми вихідних клітин бактерій, протопласти зав-

жди набувають сферичної форми. Це є доказом того, що клітин-

на стінка визначає форму бактерій. У протопластах відбувають-

ся основні процеси життєдіяльності, але вони не здатні ресинте-

зувати клітинну стінку, рідко діляться. За деяких умов (наприк-

лад, у 30%-му желатині) в протопластах може індукуватися ре-

генерація клітинної стінки і вони реверсують у вихідну клітинну

форму. Однак це відбувається дуже рідко, найчастіше прото-

пласти відмирають.

Сферопластами називають бактерійні клітини, частково поз-

бавлені клітинної стінки. Вони виявляються у старих культурах,

а також у разі дії пеніциліну, що порушує синтез клітинної стінки,

обробки лізоцимом грамнегативних бактерій, при якій руйнуєть-

Ліпополісахарид

Порини

О-антиген

Ліпід А

Ліпопротеїн

Муреїн

Білки

Фосфоліпіди

Цитоплазматична

мембрана

8 нм

Клітинна

стінка

2–3 нм

Зовнішня

мембрана

8 нм

Периплазматичний простір

Рис. 2.8. Модель структури клітинної стінки грамнегативних бак-

терій (Г. Шлегель, 1987)

ся тільки пептидоглікановий шар, а зовнішня мембрана збері-

гається. Сферопласти відрізняються від протопластів тим, що

можуть розмножуватися, легко реверсувати у вихідну бактерій-

ну форму. Протопласти і сферопласти можуть існувати тільки в

ізотонічних і гіпертонічних розчинах, у гіпотонічних розчинах

вони легко розриваються.

Порушення синтезу клітинної стінки є основою L-трансфор-

мації бактерій.

Ззовні клітинної стінки всі бактерії оточені слизовим шаром

(рис. 2.3), який захищає клітини від висихання. Слизовий шар

має різну товщину і конфігурацію, його межі не чіткі. За допомо-

гою фібрилярних полісахаридних структур слизу здійснюється

зв’язок між сусідніми клітинами в колонії бактерій, а також при-

кріплення бактерій до різних субстратів. Якщо слизовий шар

досить товстий, міцний і оформлений, його називають капсулою.

Морфологічно розрізняють два типи капсул: мікрокапсули (тов-

щина менше 0,2 мкм, виявляються тільки при електронній мікроско-

пії у вигляді шару мукополісахаридних фібрил) і макрокапсули

(товщина більше 0,2 мкм, добре помітні при світловій мікроскопії).

Більшість патогенних бактерій формують в організмі людини

і тварин мікрокапсули, які захищають їх від чинників резистент-

ності організму. Макрокапсули (рис. 2.9), або власне капсули,

Рис. 2.9. Капсули

бактерій (за Л. Месро-

бяну, Е. Пеунеску,

1963). Забарвлення за

Буррі. × 3750

формують лише деякі бактерії. Для деяких патогенних бактерій

характерне утворення капсул тільки в макроорганізмі (стрепто-

коки пневмонії, збудники сибірки, чуми тощо). У деяких бактерій

капсула формується і в організмі, і при зростанні на живильних

середовищах (лебсієли пневмонії, озени, риносклероми).

Більшість капсул складається зі складних полісахаридів, капсу-

ли деяких хвороботворних бактерій (збудника сибірки) — з полі-

сахаридів і поліпептидів, що містять переважно L- і D-глутамі-

нові кислоти. Оскільки D-амінокислоти стійкі до протеаз, така

капсула краще захищає бактерії від фагоцитозу. Хімічний склад

і антигенні властивості речовини капсул є специфічними для бак-

терій, що дозволяє ідентифікувати бактерії за родом, видом і

сероваром.

Капсула і слизовий шар не є життєво необхідними компонен-

тами бактерійної клітини. Однак капсула оберігає клітину від

механічних ушкоджень, висихання, створює додатковий осмо-

тичний бар’єр, перешкоджає проникненню токсичних речовин і

бактеріофагів всередину клітини. Капсула захищає патогенні

бактерії від чинників резистентності макроорганізму — фагоци-

тозу, комплементу тощо.

Капсула належить до зовнішніх (надоболонкових) структур

клітини.

До них належать також придатки, які об’єднуються під за-

гальною назвою пілі. Будова і функції пілей різні, у однієї кліти-

ни можуть бути наявні пілі різної природи.

Мікроворсинки або фімбрії (лат. fimbriae — нитка, бахрома,

волокно) — білкові волоски (від 10 до кількох тисяч на одній

клітині), товщина яких дорівнює 3–25 нм, а довжина — переваж-

но 0,3–1 мкм, зрідка 4 мкм і більше (рис. 2.10). Вони розпочина-

ються у цитоплазматичній мембрані і пронизують клітинну стінку,

звичайно не зігнуті хвилеподібно. Вони утворені білком піліном,

молекули якого формують спіралеподібну нитку. Їх основна функ-

ція — прикріплення бактерій до субстрату, вони є фактором ко-

лонізації. Наприклад, ворсинки кишкової палички забезпечують

прикріплення до епітелію слизової оболонки кишечнику, гоно-

кока — до епітелію урогенітального тракту. Крім того, за раху-

нок фімбрій збільшується поверхня бактерійної клітини, що кон-

тактує з живильним середовищем, через фімбрії деякі поживні

речовини можуть надходити всередину клітини.

F-пілі (статеві ворсини, секс-пілі, донорські ворсини) звичайно

існують у невеликій кількості (1–2 на клітину), товщиною 8–35 нм,

довжиною 0,5–10 мкм. Ці вор-

сини також розпочинаються у

цитоплазматичній мембрані, де

відбувається синтез білка

піліну, з якого вони побудовані.

Формуються F-пілі тільки в ак-

тивно зростаючій клітині про-

тягом 4–5 хв, стільки ж часу

зберігаються на її поверхні,

потім скидаються. Вони слугу-

ють для кон’югації — з їхньою

допомогою встановлюється

контакт між клітиною-донором

і клітиною-реципієнтом і відбу-

вається передача ДНК.

Інші варіанти зовнішніх

структур (типу шипиків і стеб-

линок) у патогенних бактерій

вивчені недостатньо.

Джгутики (війки) є органом

руху бактерій. Багато патоген-

них бактерій нерухомі, джгу-

тиків не мають. Рухливі бак-

Рис. 2.10. Пілі Klebsiella pneu-

moniae (за Л. Месробяну, Е. Пе-

унеску, 1963). × 29 000

терії пересуваються за допомогою джгутиків. За кількістю і роз-

міщенням джгутиків (рис. 2.11) бактерії розділяють на монотри-

хи (з одним полярно розміщеним джгутиком, наприклад, холер-

ний вібріон), лофотрихи (з пучком джгутиків на одному полюсі

— деякі представники роду Pseudomonas), амфітрихи (з одним

джгутиком або пучком їх на обох полюсах — Spirillum minus),

перитрихи (з великою кількістю джгутиків — від кількох десятків

до 1000, розміщених по всій поверхні клітини, — ентеробактерії,

протей, клостридії правця).

Джгутики — це тонкі спіральні нитки товщиною 10–20 нм і

довжиною 3–20 мкм. Вони складаються з білка флагеліну (лат.

flagellum — батіг), побудовані з його субодиниць з молекуляр-

ною масою 20–60 кД. Флагелін має антигенну специфічність (Н-

антигенний). За структурою він схожий з міозином м’язових

клітин.

Ультраструктура джгутиків вивчена детально (рис. 2.12). Вони

складаються з трьох частин: описаної вище спіральної нитки,

гачка поблизу поверхні клітини і базального тільця. Базальне

тільце складається з центрального стриженя, на якому в грам-

негативних бактерій знаходяться дві пари кілець. Зовнішня пара

кілець міститься в муреїновому шарі і зовнішній мембрані, одне

з кілець внутрішньої пари — в цитоплазматичній мембрані, дру-

ге — на внутрішній поверхні пептидогліканового шару. Оскіль-

ки у грампозитивних бактерій зовнішня пара кілець відсутня,

вважають, що для обертання джгутиків необхідна тільки внутріш-

ня пара кілець. Конструкція джгутика виконує функцію флагелі-

нового мотора, в якому розміщене у цитоплазматичній мемб-

рані кільце внутрішньої пари діє як привідний диск, а друге кільце

цієї пари відіграє роль підшипника.

Перитрих

Монотрих

Лофотрих

Рис. 2.11. Джгутики бактерій на електронограмах (за Л. Месро-

бяну, Е. Пеунеску, 1963)

Більшість бактерій у середньому за секунду проходять

відстань, близьку до довжини їхнього тіла. Швидше рухаються

бактерії з полярним розміщенням джгутиків — монотрихи і ло-

фотрихи. Наприклад, холерний вібріон при довжині тіла не

більше 2 мкм може рухатися зі швидкістю понад 100 мкм/с.

Рухливі бактерії здатні до таксису (грец. taxis — розташуван-

ня, розміщення) — направленого руху, що визначається зовні-

шніми факторами. Залежно від них розрізняють хемо-, аеро-, фото-,

магнітотаксис. Здатність до цілеспрямованого руху регулюєть-

ся генетично, наприклад, у Escherichia coli у цей процес залуче-

но до 3 % геному (близько 50 генів).

Рухливість бактерій має диференціальне значення і дослі-

джується при мікроскопії роздушеної краплі в темному полі зору

або за допомогою фазово-контрастної мікроскопії. Існують та-

кож культуральні способи виявлення рухливості.

Оскільки товщина джгутиків значно менша роздільної здат-

ності світлового мікроскопа, їх вивчають при електронній

мікроскопії або за допомогою спеціальних методів забарвлен-

ня, що дозволяє збільшити товщину джгутиків (наприклад,

сріблення).

Зовнішня

мембрана

Муреїн

Цитоплазматична

мембрана

Стрижень

Базальне тільце

Гачок

Рис. 2.12. Схема джгутикового апарата у Escherichia coli (за Top-

ley & Wilson’s Principles of bacteriology, virology and immunity, 1990)

4. ТИНКТОРІАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ

БАКТЕРІЙ

Бактерійні клітини напівпрозорі, слабо заломлюють світло,

тому при звичайних методах мікроскопії в незабарвленому стані

їх складно виявити. Для виявлення бактерій у нативних препара-

тах використовують мікроскопію в темному полі зору, фазово-

контрастну і аноптральну мікроскопію, а також мікроскопію у

звичайному світловому мікроскопі з опущеним конденсором.

Однак ці методи дослідження є недостатньо інформативними і

обмежено застосовуються під час мікробіологічної діагностики.

Набагато ефективнішим є мікроскопічне вивчення заздалегідь

убитих, а потім забарвлених бактерій. У мікробіології для за-

барвлення мікроскопічних препаратів найчастіше застосовують

анілінові барвники.

При простому забарвленні застосовують один барвник, складні

методи забарвлення потребують застосування кількох барвників

й інших речовин у кілька етапів. Просте забарвлення зручне для

оглядової мікроскопії, виявлення форми і взаєморозміщення бак-

терій. Складні методи забарвлення дозволяють виявити тонкі

деталі будови бактерій, провести цитохімічні дослідження для

виявлення хімічних компонентів бактерійної клітини.

Розробка і використання методів забарвлення дозволили де-

тально вивчити морфологію бактерій, виявити структурні еле-

менти, що мають диференціальне значення і важливі для іденти-

фікації бактерій, вивчити відмінності між бактеріями щодо здат-

ності сприймати барвники, яка визначає так звані тинкторіальні

властивості бактерій.

Тинкторіальні властивості бактерій (лат. tinctura, від tingo —

забарвлюю) — здатність до забарвлення: сприйнятливість до

забарвлення, кислото-спирто-лугостійкість, рівномірність забарв-

лення, метахроматичність, відношення до забарвлення за мето-

дом Грама.

Сприйнятливість до забарвлення у більшості видів бактерій ви-

сока, вони легко і швидко його сприймають. Як правило, перед

забарвленням бактерії фіксують у полум’ї або хімічними фіксато-

рами, внаслідок чого вони гинуть і краще сприймають барвники.

При забарвленні в живому стані ферментні системи бактерій мо-

жуть руйнувати і знебарвлювати барвник, тому прижиттєве (віталь-

не) забарвлення рідко застосовують у мікробіології.