Строение и классификация бактерий. Строение микробов. Шевченко А.А., Шевченко Л.В., Черных О.Ю., Шевкопляс В.Н

Микроорганизмами (микробами) называют одноклеточные организмы размером менее 0,1 мм, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. К ним относятся бактерии, микроводоросли, некоторые низшие мицелиальные грибы, дрожжи, простейшие (рис. 1). Их изучением занимается микробиология.

Рис. 1. Объекты микробиологии.

На рис. 2. можно увидеть некоторых представителей одноклеточных простейших. Иногда к объектам данной науки относят самые примитивные организмы на Земле — вирусы, не имеющие клеточную структуру и представляющие собой комплексы из нуклеиновых кислот (генетического материала) и белка. Чаще их выделяют в совершенно отдельную область исследования (Вирусологию), так как микробиология скорее направлена на изучение микроскопических одноклеточных.

Рис. 2. Отдельные представители одноклеточных эукариот (простейших).

Такие науки, как альгология и микология, изучающие водоросли и грибы, соответственно, являются отдельными дисциплинами, перекрывающимися с микробиологией в случае исследования микроскопических живых объектов. Бактериология является истинным разделом микробиологии. Данная наука занимается изучением исключительно прокариотных микроорганизмов (рис. 3).

Рис. 3. Схема прокариотической клетки.

В отличие от эукариот, к которым относятся все многоклеточные организмы, а также простейшие, микроскопические водоросли и грибы, у прокариот отсутствует оформленное ядро, содержащее генетический материал и настоящие органоиды (постоянные специализированные структуры клетки) .

К прокариотам относятся истинные бактерии и археи, по современной классификации обозначенные, как домены (надцарства) Archaea и Eubacteria (рис. 4).

Рис. 4. Домены современной биологической классификации.

Особенности строения бактерий

Бактерии являются важным звеном в круговороте веществ в природе, разлагают растительные и животные остатки, очищают загрязненные органикой водоемы, модифицируют неорганические соединения. Без них не могла бы существовать жизнь на земле. Данные микроорганизмы распространены везде, в почве, воде, воздухе, организмах животных и растений.

Бактерии различаются по следующим морфологическим особенностям:

1. Форма клеток (округлые, палочковидные, нитчатые, извитые, спиралевидные, а также различные переходные варианты и звездообразная конфигурация).
2. Наличие приспособлений для движения (неподвижные, жгутиковые, за счет выделения слизи).
3. Сочленение клеток друг с другом (изолированные, сцепленные в виде пар, гранул, ветвящиеся формы).

Среди структур, образуемых округлыми бактериями (кокками) выделяют клетки, находящиеся в паре после деления и затем распадающиеся на одиночные образования (микрококки) или остающиеся все время вместе (диплококки). Квадратичную структуру из четырех клеток образуют тетракокки, цепочку – стрептококки, гранулу из 8-64 единиц – сарцины, грозди – стафилококки.

Палочковидные бактерии представлены многообразием форм вследствие большой изменчивости длинны (0,1-15 мкм) и толщины (0,1-2 мкм) клетки. Форма последних также зависит от способности бактерий к образованию спор – структур с толстой оболочкой, позволяющей переживать микроорганизмам неблагоприятные условия. Клетки с такой способностью называет бациллами, а не обладающие такими свойствами просто палочковидными бактериями.

Особыми видоизменениями палочковидных бактерий являются нитчатые (вытянутые) формы, цепочки и ветвящиеся структуры. Последнюю образуют актиномицеты на определенной стадии развития. «Кривые» палочки называют извитыми бактериями, среди которых выделяют вибрионы; спириллы, имеющие два изгиба (15-20 мкм); спирохеты, напоминающие волнистые линии. Их длины клеток 1-3, 15-20 и 20-30 мкм, соответственно. На рис. 5 и 6 представлены основные морфологические формы бактерий, а также типы расположения споры в клетке.

Рис. 5. Основные формы бактерий.

Рис. 6. Бактерии по типу расположения споры в клетке. 1, 4 – в центре; 2, 3, 5 – концевое расположение; 6 – с боку.

Основные клеточные структуры бактерий: нуклеоид (генетический материал), предназначенные для синтеза белка рибосомы, цитоплазматическая мембрана (часть оболочки клетки), которая у многих представителей дополнительно сверху защищена , капсулой и слизистым чехлом (рис. 7).

Рис. 7. Схема бактериальной клетки.

По классификации бактерий выделяют более 20 типов. Например, экстремально термофильные (любители высоких температур) Aquificae, анаэробные палочковидные бактерии Bacteroidetes. Однако наиболее доминантным типом, включающим в себя многообразных представителей, является Actinobacteria. К нему относятся бифидобактерии, лактобациллы, актиномицеты. Уникальность последних заключается в способности формировать мицелий на определенной стадии развития.

В простонародье это называется грибница. Действительно, разветвления клеток актиномицет напоминают гифы грибов. Несмотря на такую особенность, актиномицеты относят к бактериям, так как они являются прокариотами. Естественно их клетки по особенностям структуры менее сходны с грибами.

Актиномицеты (рис. 8) являются медленно растущими бактериями, поэтому не имеют возможности конкурировать за легкодоступные субстраты. Они способны разлагать вещества, которые другие микроорганизмы не могут использовать в качестве источника углерода, в частности углеводороды нефти. Поэтому актиномицеты интенсивно исследуются в области биотехнологии.

Некоторые представители концентрируется в зонах нефтяных месторождений, и создают специальный бактериальный фильтр, препятствующий проникновению углеводородов в атмосферу. Актиномицеты являются активными продуцентами практически ценных соединений: витаминов, жирных кислот, антибиотиков.

Рис. 8. Представитель актиномицет Nocardia.

Грибы в микробиологии

Объектом микробиологии являются только низшие плесневые грибы (ризопус, мукор, в частности). Как все грибы они не способны синтезировать вещества сами и нуждаются в питательной среде. Мицелий у низших представителей данного царства примитивен, не разделен перегородками. Особую нишу в микробиологических исследованиях занимают дрожжи (рис. 9), отличающиеся отсутствием мицелия.

Рис. 9. Формы колоний дрожжевых культур на питательной среде.

В настоящее время об их полезных свойствах собраны многочисленные знания. Однако дрожжи продолжают исследоваться на способность синтезировать практически ценные органические соединения и активно применяются в качестве модельных организмов при проведении генетических экспериментов. С древних времен дрожжи использовались в бродильных процессах. Метаболизм у разных представителей отличается. Поэтому для какого-то конкретного процесса одни дрожжи больше подходят, чем другие.

Например, Saccharomyces beticus, более устойчивые к высоким концентрациям спирта, используются для создания крепких вин (до 24%). В то время как, дрожжи S. cerevisiae способны вырабатывать более низкие концентрации этанола. По направлениям их применения дрожжи классифицируются на кормовые, пекарские, пивные, спиртовые, винные.

Болезнетворные микроорганизмы

Болезнетворные или патогенные микроорганизмы встречаются повсеместно. Наряду с широко известными вирусами: гриппом, гепатитом, корью, ВИЧ и прочее опасными микроорганизмами являются риккетсии, а также стрепто- и стафилококки, вызывающие заражение крови. Среди палочковидных бактерий много возбудителей заболеваний. Например, дифтерия, туберкулез, брюшной тиф, (рис. 10). Немало опасных для человека представителей микроорганизмов встречается среди простейших, в частности малярийный плазмодий, токсоплазма, лейшмания, лямблия, трихомонада, патогенные амебы.

Рис. 10. Фотография бактерии Bacillus anthracis, вызывающей сибирскую язву.

Многие актиномицеты не опасны для человека и животных. Однако немало патогенных представителей встречается среди микобактерий, вызывающих туберкулез, проказу (лепру). Некоторые актиномицеты инициируют такое заболевание, как актиномикоз, сопровождающийся образованием гранулем, иногда повышением температуры тела. Отдельные виды плесневых грибов способны вырабатывать токсические для человека вещества – микотоксины. Например, некоторые представители рода Aspergillus, Fusarium. Патогенные грибы вызывают группу заболеваний, называемых микозами. Так, кандидоз или, попросту говоря, молочницу вызывают дрожжеподобные грибы (рис. 11). Они всегда содержаться в организме человека, но активизируются только при ослаблении иммунитета.

Рис. 11. Гриб Candida – возбудитель молочницы.

Грибы могут вызывать разнообразные поражения кожи, в частности всевозможные виды лишая, кроме опоясывающего (герпеса), который вызывается вирусом. Дрожжи Malassezia – постоянные обитатели кожи человека при спаде активности иммунной системы могут вызвать . Не стоит сразу бежать мыть руки. Дрожжи и условно патогенные бактерии при хорошем здоровье выполняют важную функцию, препятствуют развитию болезнетворных микроорганизмов.

Вирусы как объект микробиологии

Вирусы – самые примитивные организмы на земле. В свободном состоянии в них не происходят никакие обменные процессы. Только при попадании в клетку-хозяина вирусы начинают размножаться. У всех живых организмов носителем генетического материала является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Только среди вирусов встречаются представители с генетической последовательностью типа рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Часто вирусы не относят к истинно живым организмам.

Морфология вирусов очень разнообразна (рис. 12). Обычно их диаметральные размеры колеблются в пределах 20-300 нм.

Рис. 12. Разнообразие вирусных частиц.

Отдельные представители достигают в длину 1-1,5 мкм. Структура вируса заключается в окружении генетического материала специальным белковым каркасом (капсидом), отличающимся разнообразием форм (спиральный, икосаэдрический, шарообразный). Некоторые вирусы сверху имеют еще оболочку, сформированную из мембраны клетки-хозяина (суперкапсид). Например, (рис. 13) известен как возбудитель заболевания, которое носит название (СПИД). Он содержит в качестве генетического материала РНК, поражает определенный тип клеток иммунной системы (т-лимфоциты хелперы).

Рис. 13. Строение вируса иммунодефицита человека.

Бактерии - это большая и важная группа мелких, в основном одноклеточных микроорганизмов. Они принадлежат к растительным организмам, но почти все бактерии не имеют хлорофилла, чем и отличаются от настоящих растений.

От внешней среды клетка отделена плотной оболочкой - клеточной стенкой (рис. 1). У бактерий клеточная стенка очень тонка и достигает толщины 10-20 -6 мм. Это очень важная часть клетки: она определяет ее форму и охраняет от вредных воздействий внешней среды, являясь своеобразным барьером.

Рис. 1. Строение бактериальной клетки: 1 - клеточная стенка; 2 - клеточная мембрана; 3 - цитоплазма; 4 - рибосомы; 5 - жировые включения; 6 - ядерное вещество (нуклеотид с нитями ДНК); 7 - мезосомы.

Внутреннее пространство клетки под мембраной заполнено полужидкой цитоплазмой (протоплазмой). В цитоплазме находятся различные структурные элементы клетки: рибосомы, мезосомы, ядерное вещество и разнообразные включения - запасные питательные вещества. В рибосомах протекает синтез белков, необходимых клетке для ее роста, размножения и замены изношенных частей. Мезосомы - это особые структуры в клетках бактерий, в которых происходит окисление органических веществ и накопление энергии. Среди запасных питательных веществ клетки обнаруживают крахмалоподобное вещество гликоген, азотсодержащее вещество волютин, жиры и др.

К клеточной оболочке примыкает цитоплазматическая мембрана, которая состоит из трех слоев. Она содержит много ферментов и принимает активное участие в обмене веществ клетки, так как транспортирует питательные вещества внутрь и продукты обмена наружу.

Бактерии бывают палочковидной, шаровидной и извитой формы (рис. 2). Шаровидные бактерии называются кокками. Они различаются размерами и взаимным расположением отдельных клеток.

Рис. 2. Формы бактерий: а - микрококки; б - стрептококки; в - диплококки; г - стафилококки; д - палочки; е - вибрионы; ж - спирохеты.

Группы из двух кокков называются диплококками, цепочки из кокков в виде ожерелья - стрептококками, скопления неправильной формы в виде виноградной грозди - стафилококками, группы правильной формы в виде пакетов - сарцинами. Палочковидные бактерии встречаются в виде одиночных клеток, соединенных по две, в виде цепочек, и т. д.

Большое разнообразие форм клеток наблюдается в группе спирально извитых бактерий, которые отличаются длиной, толщиной клеток, а также количеством и характером завитков. Так, бактерии, клетка которых изогнута незначительно (не более чем на 1/4 оборота), называются вибрионами.

Бактерии, имеющие один или несколько правильных завитков, называются спириллами. Бактерии с длинными и тонкими извитыми клетками и многочисленными мелкими завитками называются спирохетами. Существуют также нитчатые формы бактерий: серобактерии, железобактерии и др.

Многие виды бактерий способны к активному движению с помощью специальных органов-жгутиков. Жгутики - это тонкие выросты цитоплазмы, длина которых может во много раз превышать длину клетки. Количество и расположение жгутиков постоянно для каждого вида бактерий.

Бактерии с одним жгутиком на конце называются монотрихами, с пучком жгутиков на конце - лофотрихами. Бактерии, у которых жгутики расположены по периферии клетки, называются перитрихами (рис. 3). Обнаружить жгутики можно с помощью специальной окраски и микроскопирования в темном поле или в электронном микроскопе.

Рис. 3. Основные типы расположения жгутиков у бактерий: а - монотрих; б-г - лофотрихи; д - перитрих.

Страница 4 из 91

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).

1. Монотрихи - бактерии с одним жгутиком на конце (например, холерный вибрион).

Рис. 5. Жгутики у бактерий.

1. Лофотрихи - бактерии с пучком жгутиков на одном из полюсов клетки (например, Bact. faecalis alcaligenes).
2. 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

1. Тип а, или кокковидные риккетсии, в виде очень мелких овоидов или эллипсоидов («коккобациллы») диаметром около 0,5 мк, часто образующие диплоформы или цепочки.
2. Тип в, или палочковидные риккетсии, в виде нежных коротких палочек диаметром от 1 до 1,5 мк.
3. Тип с, или бациллярные (длинные палочковидные) риккетсии, в виде удлиненных и обычно изогнутых тонких палочек размером 3-4 мк.
4. 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.

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).

Цитоплазматическая мембрана при электронной микроскопии ультратонких срезов представляет собой трехслойную мембрану (2 темных слоя толщиной по 2,5 нм разделены светлым - промежуточным). По структуре она похожа на плазмалемму клеток животных и состоит из двойного слоя фосфолипидов с внедренными поверхностными, а также интегральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру 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.

Цитоплазма

Цитоплазма состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений и многочисленных мелких гранул - рибосом, ответственных за синтез (трансляцию) белков. Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от 80S-рибосом, характерных для эукариотических клеток. Рибосомные РНК (рРНК) - консервативные элементы бактерий («молекулярные часы» эволюции). 16S рРНК входит в состав малой субъединицы рибосом, а 23S рРНК - в состав большой субъединицы рибосом. Изучение 16S рРНК является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов.
В цитоплазме имеются различные включения в виде гранул гликогена, полисахаридов, бета-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Они являются запасными веществами для питания и энергетических потребностей бактерий. Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки.

Нуклеоид

Нуклеоид - эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. Ядро бактерий, в отличие от эукариот, не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК.
Кроме нуклеоида, представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды, представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.

Капсула, микрокапсула, слизь

Капсула - слизистая структура толщиной более 0,2мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бактерий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках-отпечатках из патологического материала. В чистых культурах бактерий капсула образуется реже. Она выявляется при специальных методах окраски мазка (например, по Бурри-Гинсу), создающих негативное контрастирование веществ капсулы: тушь создает темный фон вокруг капсулы. Капсула состоит из полисахаридов (экзополисахаридов), иногда из полипептидов, например, у сибиреязвенной бациллы она состоит из полимеров D-глутаминовой кислоты. Капсула гидрофильна, препятствует фагоцитозу бактерий. Капсула антигенна: антитела против капсулы вызывают ее увеличение (реакция набухания капсулы).
Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование толщиной менее 0,2мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слиэь - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких границ. Слизь растворима в воде.
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.

Жгутики

Жгутики бактерий 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: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (1 пара дисков - у грамположительных и 2 пары дисков - у грамотрицательных бактерий). Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем-мотором, вращающим жгутик. Жгутики состоят из белка - флагеллина (от flagellum - жгутик); является Н-антигеном. 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. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки. Амфитрихи имеют по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки.

Пили

Пили (фимбрии, ворсинки) - нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10нм х 0, 3-10мкм) , чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина, обладающего антигенной активностью. Различают пили, ответственные за адгезию, то есть за прикрепление бактерий к поражаемой клетке, а также пили, ответственные за питание, водносолевой обмен и половые (F-пили), или конъюгационные пили. 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-, Col-плазмиды). Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми "мужскими" сферическими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях.

Споры

Споры - своебразная форма покоящихся фирмикутных бактерий, т.е. бактерий
с грамположительным типом строения клеточной стенки. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных веществ 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 имеют споры, не превышающие диаметр клетки. Бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, называются клостридиями, например, бактерии рода Clostridium (лат. Clostridium - веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля-Нильсена в красный, а вегетативная клетка в синий цвет.

Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке -терминальное, т.е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное - ближе к концу палочки (у возбудителей ботулиэма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы). Спора долго сохраняется из-за наличия многослойной оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизмов. В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии: активация, инициация, прорастание.