2) специального назначения:
а) элективные – среды, на которых растут бактерии только одного вида (рода), а род других подавляется (щелочной бульон, 1 %-ная пептонная вода, желточно-солевой агар, казеиново-угольный агар и др.);
б) дифференциально-диагностические – среды, на которых рост одних видов бактерий отличается от роста других видов по тем или иным свойствам, чаще биохимическим (среда Эндо, Левина, Гиса, Плоскирева и др.);
в) среды обогащения – среды, в которых происходит размножение и накопление бактерий-возбудителей какого-либо рода или вида, т. е. обогащение ими исследуемого материала (селенитовый бульон).
Для получения чистой культуры необходимо владеть методами выделения чистых культур.
Методы выделения чистых культур.
1. Механическое разобщение на поверхности плотной питательной среды (метод штриха обжигом петли, метод разведений в агаре, распределение по поверхности твердой питательной среды шпателем, метод Дригальского).
2. Использование элективных питательных сред.
3. Создание условий, благоприятных для развития одного вида (рода) бактерий (среды обогащения).
Чистую культуру получают в виде колоний – это видимое невооруженным глазом, изолированное скопление бактерий на твердой питательной среде, представляющее собой, как правило, потомство одной клетки.
ЛЕКЦИЯ № 2. Морфология и ультраструктура бактерий
1. Особенности строения бактериальной клетки. Основные органеллы и их функции
Отличия бактерий от других клеток
1. Бактерии относятся к прокариотам, т. е. не имеют обособленного ядра.
2. В клеточной стенке бактерий содержится особый пептидогликан – муреин.
3. В бактериальной клетке отсутствуют аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть, митохондрии.
4. Роль митохондрий выполняют мезосомы – инвагинации цитоплазматической мембраны.
5. В бактериальной клетке много рибосом.
6. У бактерий могут быть специальные органеллы движения – жгутики.
7. Размеры бактерий колеблются от 0,3–0,5 до 5-10 мкм.
По форме клеток бактерии подразделяются на кокки, палочки и извитые.
В бактериальной клетке различают:
1) основные органеллы:
а) нуклеоид;
б) цитоплазму;
в) рибосомы;
г) цитоплазматическую мембрану;
д) клеточную стенку;
2) дополнительные органеллы:
б) капсулы;
в) ворсинки;
г) жгутики.
Цитоплазма представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из воды (75 %), минеральных соединений, белков, РНК и ДНК, которые входят в состав органелл нуклеоида, рибосом, мезосом, включений.
Нуклеоид – ядерное вещество, распыленное в цитоплазме клетки. Не имеет ядерной мембраны, ядрышек. В нем локализуется ДНК, представленная двухцепочечной спиралью. Обычно замкнута в кольцо и прикреплена к цитоплазматической мембране. Содержит около 60 млн пар оснований. Это чистая ДНК, она не cодержит белков гистонов. Их защитную функцию выполняют метилированные азотистые основания. В нуклеоиде закодирована основная генетическая информация, т. е. геном клетки.
Наряду с нуклеоидом в цитоплазме могут находиться автономные кольцевые молекулы ДНК с меньшей молекулярной массой – плазмиды. В них также закодирована наследственная информация, но она не является жизненно необходимой для бактериальной клетки.
Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы размером 20 нм, состоящие из двух субъединиц – 30 S и 50 S. Рибосомы отвечают за синтез белка. Перед началом синтеза белка происходит объединение этих субъединиц в одну – 70 S. В отличие от клеток эукариотов рибосомы бактерий не объединены в эндоплазматическую сеть.
Мезосомы являются производными цитоплазматической мембраны. Мезосомы могут быть в виде концентрических мембран, пузырьков, трубочек, в форме петли. Мезосомы связаны с нуклеоидом. Они участвуют в делении клетки и спорообразовании.
Включения являются продуктами метаболизма микроорганизмов, которые располагаются в их цитоплазме и используются в качестве запасных питательных веществ. К ним относятся включения гликогена, крахмала, серы, полифосфата (волютина) и др.
2. Строение клеточной стенки и цитоплазматической мембраны
Клеточная стенка – упругое ригидное образование толщиной 150–200 ангстрем. Выполняет следующие функции:
1) защитную, осуществление фагоцитоза;
2) регуляцию осмотического давления;
3) рецепторную;
4) принимает участие в процессах питания деления клетки;
5) антигенную (определяется продукцией эндотоксина – основного соматического антигена бактерий);
6) стабилизирует форму и размер бактерий;
7) обеспечивает систему коммуникаций с внешней средой;
8) косвенно участвует в регуляции роста и деления клетки.
Клеточная стенка при обычных способах окраски не видна, но если клетку поместить в гипертонический раствор (при опыте плазмолиза), то она становится видимой.
Клеточная стенка вплотную примыкает к цитоплазматической мембране у грамположительных бактерий, у грамотрицательных бактерий клеточная стенка отделена от цитоплазматической мембраны периплазматическим пространством.
Клеточная стенка имеет два слоя:
1) наружный – пластичный;
2) внутренний – ригидный, состоящий из муреина.
В зависимости от содержания муреина в клеточной стенке различают грамположительные и грамотрицательные бактерии (по отношению к окраске по Грамму).
У грамположительных бактерий муреиновый слой составляет 80 % от массы клеточной стенки. По Грамму, они окрашиваются в синий цвет. У грамположительных бактерий муреиновый слой составляет 20 % от массы клеточной стенки, по Грамму, они окрашиваются в красный цвет.
У грамположительных бактерий наружный слой клеточной стенки содержит липопротеиды, гликопротеиды, тейхоевые кислоты, у них отсутствует липополисахаридный слой. Клеточная стенка выглядит аморфной, она не структурирована. Поэтому при разрушении муреинового каркаса бактерии полностью теряют клеточную стенку (становятся протопластами), не способны к размножению.
У грамотрицательных бактерий наружный пластический слой четко выражен, содержит липопротеиды, липополисахаридный слой, состоящий из липида А (эндотоксина) и полисахарида (О-антигена). При разрушении грамотрицательных бактерий образуются сферопласты – бактерии с частично сохраненной клеточной стенкой, не способные к размножению.
К клеточной стенке прилегает цитоплазматическая мембрана. Она обладает избирательной проницаемостью, принимает участие в транспорте питательных веществ, выведении экзотоксинов, энергетическом обмене клетки, является осмотическим барьером, участвует в регуляции роста и деления, репликации ДНК, является стабилизатором рибосом.
Имеет обычное строение: два слоя фосфолипидов (25–40 %) и белки.
По функции мембранные белки разделяют на:
1) структурные;
2) пермиазы – белки транспортных систем;
3) энзимы – ферменты.
Липидный состав мембран непостоянен. Он может меняться в зависимости от условий культивирования и возраста культуры. Разные виды бактерий отличаются друг от друга по липидному составу своих мембран.
Особенности строения бактериальной клетки.
Основные органеллы и их функции
Отличия бактерий от других клеток
1. Бактерии относятся к прокариотам, т. е. не имеют обособ-
ленного ядра.
2. В клеточной стенке бактерий содержится особый пептидо-
гликан - муреин.
3. В бактериальной клетке отсутствуют аппарат Гольджи, эндо-
плазматическая сеть, митохондрии.
4. Роль митохондрий выполняют мезосомы - инвагинации
цитоплазматической мембраны.
5. В бактериальной клетке много рибосом.
6. У бактерий могут быть специальные органеллы движения -
жгутики.
7. Размеры бактерий колеблются от 0,3-0,5 до 5-10 мкм.
По форме клеток бактерии подразделяются на кокки, палочки
и извитые.
В бактериальной клетке различают:
1) основные органеллы:
а) нуклеоид;
б) цитоплазму;
в) рибосомы;
г) цитоплазматическую мембрану;
д) клеточную стенку;
2) дополнительные органеллы:
а) споры;
б) капсулы;
в) ворсинки;
г) жгутики.
Цитоплазма представляет собой сложную коллоидную систе-
му, состоящую из воды (75%), минеральных соединений, белков,
8
РНК и ДНК, которые входят в состав органелл нуклеоида, рибо-
сом, мезосом, включений.
Нуклеоид - ядерное вещество, распыленное в цитоплазме
клетки. Не имеет ядерной мембраны, ядрышек. В нем локализует-
ся ДНК, представленная двухцепочечной спиралью. Обычно замк-
нута в кольцо и прикреплена к цитоплазматической мембране.
Содержит около 60 млн пар оснований. Это чистая ДНК, она не
cодержит белков гистонов. Их защитную функцию выполняют
метилированные азотистые основания. В нуклеоиде закодирована
основная генетическая информация, т. е. геном клетки.
Наряду с нуклеоидом в цитоплазме могут находиться авто-
номные кольцевые молекулы ДНК с меньшей молекулярной мас-
сой - плазмиды. В них также закодирована наследственная ин-
формация, но она не является жизненно необходимой для
бактериальной клетки.
Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиновые части-
цы размером 20 нм, состоящие из двух субъединиц - 30 S и 50 S.
Рибосомы отвечают за синтез белка. Перед началом синтеза бел-
ка происходит объединение этих субъединиц в одну - 70 S. В от-
личие от клеток эукариотов рибосомы бактерий не объединены
в эндоплазматическую сеть.
Мезосомы являются производными цитоплазматической мемб-
раны. Мезосомы могут быть в виде концентрических мембран,
пузырьков, трубочек, в форме петли. Мезосомы связаны с нуклео-
идом. Они участвуют в делении клетки и спорообразовании.
Включения являются продуктами метаболизма микроорганиз-
мов, которые располагаются в их цитоплазме и используются
в качестве запасных питательных веществ. К ним относятся
включения гликогена, крахмала, серы, полифосфата (волютина)
и др.
2. Строение клеточной стенки
и цитоплазматической мембраны
Клеточная стенка - упругое ригидное образование толщи-
ной 150-200 ангстрем. Выполняет следующие функции:
1) защитную, осуществление фагоцитоза;
2) регуляцию осмотического давления;
3) рецепторную;
4) принимает участие в процессах питания деления клетки;
9
5) антигенную (определяется продукцией эндотоксина - ос-
новного соматического антигена бактерий);
6) стабилизирует форму и размер бактерий;
7) обеспечивает систему коммуникаций с внешней средой;
8) косвенно участвует в регуляции роста и деления клетки.
Клеточная стенка при обычных способах окраски не видна, но
если клетку поместить в гипертонический раствор (при опыте
плазмолиза), то она становится видимой.
Клеточная стенка вплотную примыкает к цитоплазматической
мембране у грамположительных бактерий, у грамотрицательных
бактерий клеточная стенка отделена от цитоплазматической мемб-
раны периплазматическим пространством.
Клеточная стенка имеет два слоя:
1) наружный - пластичный;
2) внутренний - ригидный, состоящий из муреина.
В зависимости от содержания муреина в клеточной стенке раз-
личают грамположительные и грамотрицательные бактерии (по
отношению к окраске по Грамму).
У грамположительных бактерий муреиновый слой состав-
ляет 80% от массы клеточной стенки. По Грамму, они окрашива-
ются в синий цвет. У грамположительных бактерий муреиновый
слой составляет 20% от массы клеточной стенки, по Грамму, они
окрашиваются в красный цвет.
У грамположительных бактерий наружный слой клеточной
стенки содержит липопротеиды, гликопротеиды, тейхоевые кис-
лоты, у них отсутствует липополисахаридный слой. Клеточная
стенка выглядит аморфной, она не структурирована. Поэтому при
разрушении муреинового каркаса бактерии полностью теряют
клеточную стенку (становятся протопластами), не способны
к размножению.
У грамотрицательных бактерий наружный пластический
слой четко выражен, содержит липопротеиды, липополисахарид-
ный слой, состоящий из липида А (эндотоксина) и полисахарида
(О-антигена). При разрушении грамотрицательных бактерий об-
разуются сферопласты - бактерии с частично сохраненной кле-
точной стенкой, не способные к размножению.
К клеточной стенке прилегает цитоплазматическая мембрана.
Она обладает избирательной проницаемостью, принимает участие
в транспорте питательных веществ, выведении экзотоксинов,
энергетическом обмене клетки, является осмотическим барьером,
10
участвует в регуляции роста и деления, репликации ДНК, являет-
ся стабилизатором рибосом.
Имеет обычное строение: два слоя фосфолипидов (25-40%)
и белки.
По функции мембранные белки разделяют на:
1) структурные;
2) пермиазы - белки транспортных систем;
3) энзимы - ферменты.
Липидный состав мембран непостоянен. Он может меняться
в зависимости от условий культивирования и возраста культуры.
Разные виды бактерий отличаются друг от друга по липидному
составу своих мембран.
3. Дополнительные органеллы бактерий
Ворсинки (пили, фимбрии) - это тонкие белковые выросты на
поверхности клеточной стенки. Функционально они различны. Раз-
личают комон-пили и секс-пили. Комон-пили отвечают за адгезию
бактерий на поверхности клеток макроорганизма. Они характерны
для грамположительных бактерий. Секс-пили обеспечивают кон-
такт между мужскими и женскими бактериальными клетками
в процессе конъюгации. Через них идет обмен генетической ин-
формацией от донора к реципиенту. Донор - мужская клетка -
обладает секс-пили. Женская клетка - реципиент - не имеет
секc-пили. Белок секс-пили колируется генами F-плазмиды.
Жгутики - органеллы движения. Есть у подвижных бакте-
рий. Это особые белковые выросты на поверхности бактериаль-
ной клетки, содержащие белок - флагелин. Количество и распо-
ложение жгутиков может быть различным.
Различают:
1) монотрихи (имеют один жгутик);
2) лофотрихи (имеют пучок жгутиков на одном конце клет-
ки);
3) амфитрихи (имеют по одному жгутику на каждом конце);
4) перитрихи (имеют несколько жгутиков, расположенных по
периметру).
О подвижности бактерий судят, рассматривая живые микро-
организмы, либо косвенно - по характеру роста в среде Пешко-
ва (полужидком агаре). Неподвижные бактерии растут строго по
уколу, а подвижные дают диффузный рост.
11
Капсулы представляют собой дополнительную поверхност-
ную оболочку. Они образуются при попадании микроорганизма
в макроорганизм. Функция капсулы - защита от фагоцитоза
и антител.
Различают макро- и микрокапсулы. Макрокапсулу можно вы-
явить, используя специальные методы окраски, сочетая позитив-
ные и негативные методы окраски. Микрокапсула - утолщение
верхних слоев клеточной стенки. Обнаружить ее можно только
при электронной микроскопии. Микрокапсулы характерны для
вирулентных бактерий.
Среди бактерий различают:
1) истиннокапсульные бактерии (род Klebsiella) - сохраняют
капсулообразование и при росте на питательных средах, а не
только в макроорганизме;
2) ложнокапсульные - образуют капсулу только при попада-
нии в макроорганизм.
Капсулы могут быть полисахаридными и белковыми. Они
играют роль антигена, могут быть фактором вирулентности.
Споры - это особые формы существования некоторых бакте-
рий при неблагоприятных условиях внешней среды. Спорообра-
зование присуще грамположительным бактериям. В отличие от
вегетативных форм споры более устойчивы к действию химиче-
ских, термических факторов.
Чаще всего споры образуют бактерии рода Bacillus и Clostridium.
Процесс спорообразования заключается в утолщении всех
оболочек клетки. Они пропитываются солями дипикалината каль-
ция, становятся плотными, клетка теряет воду, замедляются все
ее пластические процессы. При попадании споры в благоприят-
ные условия она прорастает в вегетативную форму.
У грамотрицательных бактерий также обнаружена способ-
ность сохраняться в неблагоприятных условиях в виде некульти-
вируемых форм. При этом нет типичного спорообразования, но
в таких клетках замедлены метаболические процессы, невозмож-
но сразу получить рост на питательной среде. Но при попадании
в макроорганизм они превращаются в исходные формы.
Само слово «бактерии» в первую очередь ассоциируется с холерой, туберкулезом или как минимум дизентерией, то есть, с перечнем патогенных микроорганизмов. Именно для того и нужно мыть руки с мылом как можно чаще – чтобы избавиться от этих самых бактерий. А изучать бактерии, их характеристики и особенности следует лишь для того, чтобы надежно обезопасить людей от их воздействия.
По меньшей мере, такая характеристика этих микроорганизмов в целом несправедлива и однобока. Помимо откровенно патогенных, существует масса других: индифферентных, полезных или живущих в симбиозе с человеческим организмом. Изучением их характеристик занимается биология и ее отрасли. Эти исследования имеют не только академическое, но и прикладное значение: к примеру, молочнокислые микробы давно используются человеком.
Наука, изучающая микроорганизмы
Все разнообразие групп и видов микробов, как и любое другое проявление жизни, изучает биология – наука о живых организмах. Раздел, посвященный бактериям, называется микробиология.
Для изучения живых объектов и систематизации полученных данных, была разработана система подразделения всех живых организмов – их назвали Империя – на царства. Империя делится на 5 царств:
- вирусов;
- бактерий;
- грибов;
- растений;
- животных.
Характеристики бактериальной клетки следующие:
- сравнительная характеристика клетки бактерии – размер на порядок меньше, чем у растений и животных, и больше, чем у вирусов;
- генный материал представлен закольцованной молекулой ДНК; она располагается в нуклеоиде и крепится одним концом непосредственно на клеточную оболочку;
- отсутствуют практически все органеллы, присущие клеткам растений и животных;
- клеточная мембрана и вся клетка целиком выполняют несколько видов функций, в том числе, дыхание и фотосинтез;
- органом передвижения являются жгутики, которые, в отличие от имеющихся у эукариотов, являются полым выростом.
Микроорганизмы подразделяются согласно разным характеристикам.
Геометрия клетки
Характеристика круглых кокков – после деления они не разъединяются. При этом функционально характеристики клетки не изменяются и являются полноценным обособленным организмом.
По количеству неразъединенных бактерий объединения подразделяют на несколько групп:
- диплококки – остаются расположенными попарно;
- сарцины – скомпонованы по 4 штуки;
- стафилококки – после деления не расходятся, со временем формируется «гроздь»;
- стрептококки – круглые кокки, собранные в цепочку.
Палочковидные бактерии после деления клетки расходятся и располагаются хаотически. Палочки могут иметь как правильную (кишечные, молочнокислые палочки), так и неправильную (ветвящиеся актиномицеты) форму.
Извитые микробы включают в себя несколько групп – это спириллы, вибрионы и спирохеты.
Разделение бактерий по Граму
По характеристикам клеточной стенки бактерии подразделяют на грамположительные (к примеру, молочнокислые) и грамотрицательные. Грамотрицательные микробы имеют значительно более толстую стенку клетки, чем грамположительные, в связи с чем не прокрашиваются кристаллическим фиолетовым.
Характеристика царства прокариотов по Граму однозначно указывает на различия в структуре и составе клеточных оболочек, которые имеют грамположительные и грамотрицательные микроорганизмы. К примеру, грамотрицательные микробы значительно устойчивее к антителам в сравнении с грамположительными, возможно, поэтому большая часть патогенных бактерий именно грамотрицательные. Деление бактерий на две большие группы по окрашиванию является в достаточной мере условной характеристикой.
Аэробные микробы и анаэробы
Все бактерии подразделяют по отношению к кислороду на две группы:
- аэробы – для жизнедеятельности нуждаются в кислороде (например, );
- анаэробы – бескислородная форма жизни (сапрофиты).
Биология подразделяет все микроорганизмы по степени зависимости от кислорода на несколько групп:
- облигатные – обязательные; облигатные аэробы могут существовать только в кислородной среде (молочнокислые бактерии), а облигатные анаэробы – только при отсутствии кислорода;
- факультативные анаэробы: значение кислорода не является для них критичным – они легко переключаются с кислородного на бескислородное дыхание;
- аэротолерантные анаэробы: разновидность облигатных анаэробов, но значение кислорода для этих групп менее пагубно – в такой среде они существуют, хотя и не используют кислород.
Питание микроорганизмов: автотрофы и гетеротрофы
Изучая процесс питания микробов, биология разделила их на два вида:
- автотрофные – организмы, способные синтезировать необходимую органику из окружающих неорганических соединений;
- гетеротрофные – для питания этих видов микроорганизмов нужна органика (к примеру, молочнокислые бактерии).
Гетеротрофы представлены тремя группами:
Фототрофы и хемотрофы
Для любого процесса необходима энергия. Микробы разделяют в зависимости от источника получения энергии на:
- фототрофы – используют для биосинтеза солнечную энергию (цианобактерии);
- хемотрофы – применяют энергию, выделяющуюся в результате окисления органических или неорганических соединений (большинство патогенных бактерий).
Деление клеток как способ размножения
Биология, изучая характеристики микробов, обнаружила, что процесс размножения происходит как равновеликое деление клетки микроба. Подобный процесс невозможен ни для вирусов, ни для более развитых клеток.
Клетка бактерии делится пополам, в результате чего образуются две идентичные дочерние клетки. Существуют отличия в образовании разделительной мембраны:
- грамотрицательные микроорганизмы формируют перетяжку, которая, стягиваясь, делит клетку на 2 части;
- грамположительные синтезируют на месте мембрану, выращивая ее от краев к центру благодаря мезосомам (сюда относят молочнокислые бактерии).
Деление бактериальной клетки может происходить почкованием. У некоторых групп микробов на краю клетки формируется почка. Она увеличивается в размерах и, достигнув полноценных размеров, отделяется от материнской клетки. Сравнительная оценка двух этих клеток показывает их неравноценность – материнская имеет все признаки старения.
Особенности
Значение большей части групп микроорганизмов невозможно переоценить – они осуществляют процессы брожения и гниения, синтезируют соединения азота, которые способны использовать растения. Это они обеспечили нашу планету кислородом, перерабатывают мертвую органику в метан и помогают кишечнику человека переваривать пищу.
Для примера, несколько групп микробов и краткая характеристика:
- молочнокислые – грамположительные микроорганизмы, несколько групп кокковых и неспорообразующие палочки; применяются в квашении, молочном брожении и силосовании;
- клубеньковые – грамотрицательные азотфиксирующие симбионты растений;
- гнилостные – анаэробные сапрофиты, разрушающие мертвую органику с образованием метана и углекислого газа.
Где живут микробы
Грамположительные и грамотрицательные одноклеточные микроорганизмы плотно заселили биосферу планеты. В таблице, отражающей количество представителей различных царств, бактерии стоят на первом месте, за ними следуют числовое значение вирусов.
Микробы обитают везде:
- в верхних слоях атмосферы,
- на поверхности почвы,
- в толще земли;
- на поверхности водоемов;
- в самых глубоких впадинах океанов
- подо льдами Антарктиды;
- в водах термальных источников.
Существуя триллионы лет, микроорганизмы надежно обосновались в биосфере планеты и стали ее необходимой частью.